1換流回路的雜散電感

在IGBT 變流器中，回路電感表現為某一時刻一條換流回路的總雜散電感值Lstray。如果將各環節的寄生電感和分布電感抽象為分立元件的形式，則回路電感主要包括疊層母排的分布電感Lbusbar、直流支撐電容的內部電感LC、IGBT內部電感LIGBT及連接IGBT和母排的螺釘寄生電感Lscrews（圖1）：

圖1 回路總雜散電感的組成

回路中各環節電感值對于減小回路的總雜散電感而言十分重要。由于直流支撐電容器和IGBT的內部電感是定值，其降低只能通過器件制造商提高制造和工藝水平來實現。IGBT 和疊層母排間若采用螺釘連接方式，其電感值也基本固定。因此，減小疊層母排的自身電感是進一步減小回路總雜散電感的關鍵所在。

2 低感母排的參數模型

根據用途和布局的不同，低感母排存在多種拓撲結構。本文研究的疊層母排采用由兩層平行導電平板與中間絕緣層復合的疊層結構，其模型如圖2 所示，其中，l為母排長度，w為寬度，t為導電平板厚度，d為兩層導電平板中心間距；其等效電路如圖3所示，分布電感、分布電容和電阻特性等可以抽象成等效電路中的L、C及R 等電氣參數。

圖2 疊層母排模型

圖3 疊層母排的等效電路

設計低感母排時，需要考慮其兩種形式存在的電感：

（1）內電感Li ——由導體內部的磁鏈引起的，其大小隨頻率的增加而減?。?/p>

（2）外電感Le——由正、負母排的電流方向和拓撲結構決定，與頻率無關。

在高頻狀態下，由于存在集膚效應，Li很小，可以忽略，電感主要表現為Le；而在低頻狀態下，Li 是電感的重要成分，電感表現為Li 與Le之和。下式示出外電感的通用計算公式：

式中： 0—真空磁導率； r—相對磁導率；Δk和Δe—修正因子，由母排的幾何參數決定。

3 雜散電感的計算分析

3.1 電感的工程計算

雜散電感值的精確分析和計算是低感母排設計的重要課題。利用公式可以初步計算疊層母排的電感值大小，供工程設計時參考。

以d=0.04 m，l=0.6 m，w=0.068 m規格母排為例進行雜散電感值的計算。根據分布電感公式計算可知，Lbusbar= 28 nH；根據IGBT 產品數據手冊可知，模塊內部電感LIGBT=10 nH；測量IGBT 與母排連接螺釘處的電感，Lscrews=20 nH ；根據直流支撐電容器數據手冊可知，其內部電感LC=15 nH。表1示出回路的分布電感情況。

3.2 仿真分析

為了進一步驗證雜散電感的工程計算值，使用Ansoft Q3D軟件對變流器模塊的疊層母排模型進行仿真。圖4示出疊層母排表面電流分布?？梢钥闯?，由于正、負母排的形狀并不完全重合，造成表面電流分布不均勻，磁通存在空間分離，導致回路電感的產生。用仿真軟件提取的雜散電感值為64. 3 nH，但該值未包含LIGBT。將仿真值與LIGBT 相加，得到回路的總雜散電感。

圖4 疊層母排的電感仿真

未完待續