功率母排技术

为了减小连接导线寄生电感，功率变换器中滤波电容器与功率模块常采用功率母线作为连接部件。功率母线可以采用铜排和极板两种形式，铜排具有较大的漏电感和较强的内应力；传统的极板直接通过螺栓与功率模块相互连接，这种连接方式在小功率变频系统中得到了很好的应用，但在中大功率场合，传统的极板容易出现与相反极性的模块端相碰撞的电气安全问题，以及因螺栓与功率模块的连接间隙导致的电流分配不均和连接处局部发热问题。

为了解决传统功率母线的上述问题，结合功率部件的优化布置，采用了功率母排（复合母排）技术，如图4-3所示。这种功率母排具有电气安全性高、电磁辐射小、传导发热小、集成度高等优点。

复合母排由五层板组成，从功率模块上端开始五层板依次为：上层绝缘板、正极板、中间层绝缘板、负极板和底层绝缘板，在两极板交界面可设置绝缘垫圈，如图4-4所示。复合母排技术的一大特点是：通过中间层绝缘板的形式设计，对各极板边缘可以很好地进行电气隔离，避免了因高压而造成空气击穿的可能性。

图4-3 复合母排

图4-4 复合母排的结构

1—聚酯薄膜；2—PEM钉；3—绝缘垫圈；4—铜材

复合母排的选择主要考虑以下因素：

（1）复合母排寄生电感

电气连接线路的电感由分布在空间中的磁链和电流之比来决定。导体的电感分内电感和外电感，内电感是导体内部磁链作用的结果，与电流的集肤效应和邻近效应有关；外电感由两根载流导体的形状和空间位置决定，与电源频率无关。根据电磁理论，假设复合母排长度远大于宽度，同时宽度远大于厚度和两极板之间的距离，故复合母排在长度方向上的磁感应强度B相同；同时假设复合母排为非铁磁性材料，通过的电流为I，且在两极板母线内均匀分布，则宽度方向上的电流密度为d=I/b。复合母排的电感为：

式中，L——电感，包括两部分，前半部分为内电感，后半部分为外电感，H；

l——复合母排的长度，m；

b——宽度，m；

ω——厚度，m；

a——两极板之间的距离，m；

μ0——极板的磁导率，H/m。

假设复合母排宽度b远大于两极板之间的距离a，即当b/2a→ ∞ 时，代入式（4-5）中可以得到简化的电感计算公式：

当复合母排的两极板无限靠近时，同时假设极板厚度ω和宽度b相比可忽略不计时，由上述公式可知其电感为零。

（2）复合母排伴生电容

由于复合母排的正极板和负极板为相互重叠状态，当极板上分别施加正负电压时，复合母排相当于一个电解电容，且与功率变换器滤波电容相并联。复合母排电容量C的计算公式为：

式中，0ε——介质在真空状态下介电常数（ε0=8.85×10-12F/m）；

ε——介质的相对介电常数，F/m；

S——复合母排正负极板重叠面积，m2；

t——复合母排正负极板之间的距离，m。

（3）复合母排空间电磁干扰分析

根据电磁场理论，当导体中有电流流过时就会在导体周围产生磁场。假设在空间某点的磁场用磁感应强度B来衡量，空间中的磁导率可以近似为真空中的磁导率 μ0，则磁感应强度B与电流成正比。当复合母排通入两个大小相同、方向相反的电流时，它们在空间某点产生的磁感应强度是两个方向相反电流产生的磁感应强度的矢量和。根据毕奥-萨伐尔定律，空间任何一点的合成磁感应强度的幅值为：

式中，I——极板中的电流，A；

l1——正极板中心到空间某点的距离，m；

l2——负极板中心到空间某点的距离，m；

θ——空间某点到两极板中心点连线的夹角。

当复合母排极板上的电流一定时，要使空间某点的电磁干扰尽可能小，应满足d= 尽可能小，即正负极板之间的中心距离(ω+ )a 尽可能小。

功率电路复合母排的选择需要综合考虑寄生电感、伴生电容、电磁噪声等方面的因素，兼顾安装空间的限制，以寄生电感和环路最小为原则，进行合理设计。