叠层母排知识
叠层母排低电感相关设计
图28 优化后我司设计母排结构及仿真
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叠层母排设计能力指导
———电感部分
作者：唐英才
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寄生电感对开关器件的影响及应对方法
直流回路的寄生电感和分布电感通常被称为 寄生电感(Stray Inductance)，它是由与电流回路 相交链的磁链引起的。功率半导体开关器件IGBT 通常工作在高频开关状态。当IGBT关断时，回路 产生的尖峰电压瞬间加载于IGBT的集电极（C） 和发射极（E）之间，形成的电压尖峰（△U）会 超过IGBT的额定电压，导致IGBT击穿。
应用
常见
2
增加功率吸收电路
常见
3
软开关技术
1. 软开关驱动器和功率吸收电路都需要专门设计，这将增 加变流器的制造成本； 极少见 2. 由于IGBT往往工作在高频状态下， di/dt本身很大，降 （大功率领域） 低电流变化率往往面临实际操作的困难。
2
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寄生电感测试手段
实际测量
基于业内公认的 脉冲测试方法和寄 生电感测试平台。
非叠层面积(cm^2)
0~100 100~200 200~400
单位面积电感系数 K3(nH/cm^2)
0.008 0.013 0.032
注：1）若非叠层面积为150cm^2， 则L=100*0.008+50*0.013； 2）此表格不适用于IGBT端子的电感计算。 14
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仿真结果（非叠层路径/电容孔距离对电感的影响）
图7 叠层母排与传统铜排电感对比图
实验结果：由左图8可知，叠层母排的电感值与铜 排厚度呈正相关，从1~2.5mm每增加1mm，电感值增加 约30%。 原因分析：增间距离增加时正负极母排产生的磁 链相互低调的部分减少，以致其电感值增加。
覆膜折弯母排在功率单元设计中的应用
覆膜折弯母排在功率单元设计中的应用摘要：叠层母排是一种便捷式电气部件，因为其自身具有低电感低阻抗、可靠性高、节省空间、安装便捷的特点，在电力电子相关行业有了越来越广泛的应用。
本文讨论了一种与传统母排相比较更为灵活的叠层母排设计方式，在结构和电气两方面来验证其可靠性，并通过折弯型叠层母排在在功率单元设计中的实际应用，探讨了其具有的优势。
关键词：叠层母排母排搭接 IGBT功率单元引言叠层母排又称复合母排、低感母排、层叠母线排、夹层汇流排，英文Lami-nated Basbar，属于一种多层复合结构连接排。
是目前电力电子设备中应用最广泛的电气连接形式。
与传统的配线方式相比，叠层母排不仅具有低电感、低阻抗、可靠性高、节约空间的效果，而且装配简单、系统集成度高，所以能够在中、高功率变流场合使用，有利于电气系统的结构化布线和安装，是发展电力电子行业极其重要的一个部件[1]。
1、叠层母排的应用分析叠层母排的设计对于功率单元整体性能的提高起着至关重要的作用。
传统方式的叠层母排连接有如下两种情况：（1）通过叠层母排的连接实现同一平面两组电路的电气连接。
（2）对于两个垂直面的电连接，一般通过两块母排的垂直搭接来实现，但这种搭接存在如下局限性：图1 叠层母排的内层覆膜钣金a、对空间提出了更高的要求，需要搭接处具有足够的操作空间来进行连接螺栓的紧固；b、两块母排的搭接面局部杂散电感较大，同时搭接点的温升也会比较高。
图2 叠层母排的的外层覆膜钣金在实际应用中，对于IGBT安装面与电连接端子不在一个平面的情况，为避免上述两款母排搭接的局限性，尤其是为节约空间而将其他电气部件与功率单元一体化安装的情况下，一是要求方便安装维护，二是需要最大限度的降低电感量，这就对叠层母排的设计提出了新的要求。
本文通过讨论一种覆膜折弯型叠层母排的设计来实现两个垂直平面的电连接。
2、叠层母排折弯的性能分析关于折弯后叠层母排的可靠性，从以下三个方面进行分析：（1）从绝缘膜延伸率角度考虑分别计算母排折弯角度为90度时内绝缘膜和外绝缘膜的拉伸率。
叠层母排低电感相关设计
优化案例(1)
优化前48nH
图23 优化前客户原母排结构及仿真
优化后40nH
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优化案例
电感值
应用设备：光伏逆变器 技术参数
减少20%
绝缘耐压：3500V DC 1min 2mA 额定电压：1200V DC 额定电流：700A 外形尺寸：440mm*261mm*57mm 爬电距离/电气间隙：16.6mm/ 8mm 优化内容：IGBT端子长度、非叠层面积。
图1 IGBT关断时的Uce和Ic曲线
序号
抑制方法
备注
1
使用叠层母排 （减低母线电感）
1. 从根源上大幅降低直流母线的寄生电感值（约80%）； 2. 更加紧凑、简洁、容易维护和安装； 3. 相对传统铜排会增加一定的成本。
应用
常见
2
增加功率吸收电路
1. 需要设计者设计时在IGBT端口预留更多空间； 2. 增加成本, 治标不治本。
11.76
平均每mm 铜板电感增幅 （nH，平均值）
2.0
5.97
7.53
9.08
10.65
13.77
2.05
3.0
8.07
9.61
11.21
12.72
15.86
2.09
平均每mm间距电感 增幅（nH，平均值）
3.23
3.07
3.11
3.14
/
结论
母排的电感值与板厚、层间距离程线 性关系，1000*1000mm尺寸的母排铜板厚度 每增加1mm电感增加约2nH,层间距离每增加 1mm电感增加约3nH。
5
寄生电感相关测试（2）
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为了探究是否压合和层间距离对母排电感值的影响，我们使用相同款式的叠层母排（板厚1.5mm， 宽度460mm，长度216mm）,分作做了压合前后以及改变层间距离的电感测试，测试结果如下：
叠层母排
叠层母排
1.定义：叠层母排又称复合母排，层叠母排，层叠母线排，复合铜排，英文叫Laminated Busbar，是一种多层复合结构连接排，可算是配电系统的高速公路。
与传统的、笨重的、费时和麻烦的配线方法相比，使用复合母线排可以提供现代的、易于设计、安装快速和结构清晰的配电系统。
具有可重复电气性能、低阻抗、抗干扰、可靠性好、节省空间、装配简洁快捷等特点的大功率模块化连接结构部件。
叠层母排优点：
●更少的总体成本
●很高的可靠性和安全性
●简洁紧凑的设计,节省内部空间
●降低杂散电感，降低尖峰电压保护IGBT
●更低的阻抗，
●无错误的安装
●量身定做的模块式结构, 便于安装和现场服务
●增加分布电容
●以更低的电压降实现高电流承载能力
●通常比电缆更容易散热冷却, 更小的温升
2.型号意义：
3.特性曲线
4.设计原理：。
叠层母排设计
导体材料选择Conductors叠层母排的导体材料主要采用牌号为T2的紫铜板或1060的铝板名称NAME牌号CODE密度DENSITY导电率 Electrical Conductivity 导热性ThermalConductivity电镀Electroplating紫铜Copper T2/C11000/C1100 8.9g/cm³98.3%IACS 388W/m-K Tin,Nickel,Silver,Gold 铝合金Aluminum 1060/A1030 2.7g/cm³62%IACS 234W/m-KTin,Nickel,Silver,Gold,Copper碲铜Tellurium copper CuTep/C14500 8.9g/cm³ 93%IACS 355W/m-K Tin,Nickel,Silver,Gold 黄铜Brass H62/C26000 8.53g/cm³28%IACS120W/m-K Tin,Nickel,Silver,Gold绝缘材料选择Insulations叠层母排的主要绝缘材料一般采用PET ，这种材料的性价比如有特殊要求可选用其他材料。
FR-4板及GPO-3板作为辅助绝缘材料材料 Material 密度Density (g/cm³) 热导率Thermal Conductivity (W/kg.k) 介电常数Dielectric Constant (f=60Hz) 介电强度Dielectric Strength (kV/mm)阻燃等级Flame Retardanc 绝缘耐热等级Thermal class吸水性Hygroscopicit/24h诺美纸NOMEX 0.8~1.1 0.143 2.7 32 94V-0 220 10聚酰亚胺PI 1.42 0.094 2.8 173 94V-0 220 0.24聚酯薄膜PET1.38 0.128 3.8 120 94V-0 105 0.1~0.2环氧玻璃布层压板1.6 0.24 4.6 40 94V-0 130 0.15FR-4不饱和聚1.95 0.2 4.5 40 94V-0 155 0.2~0.4 酯树脂版GPO-3NOMEX优良的耐火、耐热性、良好的耐化学腐蚀性，机械性能好的，耐辐射阻燃Flame resistance;Thermal resistance; Strong corrosion protection聚酯薄膜PET良好的电性能，耐化学腐蚀性，低吸湿性价格低廉Good electrical performance; Corrosion protection;Low water absorption;Low price.聚酰亚胺PI优良的耐热性、良好的电性能，耐辐射阻燃High temperature proof;excellent electrical performance;Radiation resistance;Flame resistance.FR-4机械。
叠层母排结构
叠层母排结构叠层母排结构是一种常见的电子元件连接方式，用于在电子设备中实现信号传输和电源供应。
它由多层母线板叠加而成，每一层都有独立的电路，通过互连孔将各层之间的电路连接起来，形成一个整体。
叠层母排结构具有连接可靠、布线灵活、体积小等特点，被广泛应用于各种电子设备中。
一、叠层母排结构的组成叠层母排结构由多层母线板、电路连接孔、连接螺柱、插接件等组成。
每一层的母线板上都有相应的电路布线，通过连接孔将各层之间的电路连接起来。
连接螺柱用于固定叠层母排结构的整体，插接件用于连接叠层母排结构与其他电子元件。
二、叠层母排结构的优势1. 连接可靠：叠层母排结构采用多层叠加的方式，相邻层之间的连接通过连接孔进行，连接紧密可靠，不易出现松动或接触不良的情况。
2. 布线灵活：叠层母排结构的每一层都可以独立布线，可以根据实际需求进行灵活布局，使得信号传输更加高效稳定。
3. 体积小：叠层母排结构采用多层叠加的设计，相比传统的线束连接方式，可以大大减小电子设备的体积，提高整体的集成度。
4. 维护方便：叠层母排结构中的电路连接可以通过连接螺柱进行固定，当需要维护或更换某一层电路时，只需解开连接螺柱即可，非常方便。
三、叠层母排结构的应用领域1. 通信设备：在通信设备中，叠层母排结构可以用于连接各个模块之间的信号传输和电源供应，实现设备之间的高效通信。
2. 工控设备：工控设备通常需要连接多个传感器和执行器，叠层母排结构可以提供灵活的布线方式，确保信号传输的稳定可靠。
3. 汽车电子：叠层母排结构可以应用于汽车电子领域，连接各个电子模块，提供信号传输和电源供应，实现汽车电子系统的正常工作。
4. 计算机设备：在计算机设备中，叠层母排结构可以用于连接主板和各个扩展卡，实现数据传输和电源供应。
四、叠层母排结构的制造工艺叠层母排结构的制造工艺包括以下几个步骤：1. 材料准备：准备好所需的母线板、连接孔、连接螺柱、插接件等材料。
2. 印制电路板制造：通过化学腐蚀、光刻等工艺将电路图案制作到母线板上，形成电路布线。
典型叠层母排的应用案例
IGBT 寄生电感约为 20nH， 加上原设计方案中母排的总电感约为 760nH， 因此，
总的线路分布电感约为 1000nH 左右。 这样的话，根据公式（1） ，得出感应电压为： ΔU=Ls*di/dt=1000x10-3x125/0.28≈446V 其中 dt 为 IGBT 关断下降时间（0.28μs） ，这样 IGBT 两端的总电压为：
图 3. 各种结构母线的电感比较 从图 3 可看出叠层母线的电感远远小于其他三种母线形式，因此，从降低系 统整体成本及增加系统的可靠性、安全性角度考虑，采用叠层母排是非常有必要 的。 3 叠层母排的具体应用 以上我们定性的分析了一下叠层母排的优点， 但是叠层母排的应用还需要具 体的说明，下面我们将具体举例说明采用叠层母线的应用和实际效果。 3.1 原设计方案 我们某一客户的逆变单元设计方案参数如下： 直流母线电压 Vd=800V，流过 IGBT 的电流 I=125A，母排的杂散电感约为 760nH，选用的 IGBT 额定电压为 1700V。 其具体的结构图如下所示：
典型叠层母排的应用案例
(苏州西典机电有限公司 技术研发部，苏州 215151)
摘要：叠层母排是一种新兴、低电感、便捷的电气重要连接部件，由于其自身的 优点，使其可在小、中、高功率变流场合普遍使用，不仅涉及光伏、风电产业， 也可在各类变频器、整流装置中使用，是电力行业发展不可或缺的重要部件。本 文具体探讨一下其实际的应用和效果。 关键词：叠层母排；杂散电感；分布电感；IGBT；电压尖峰；浪涌电压 0 引言 叠层母排又称为复合母排， 层叠母排， 层叠母线排， 夹层汇流排， 低感母排， 电子母线，英文叫 Laminated Busbar（如图一所示） ，是一种多层复合结构的连 接排，可算是配电系统的高速公路。与传统的、笨重的、费时和麻烦的配线方法 相比，叠层母排可以提供现代的、易于设计、安装快速和结构清晰的配电系统。 它具有可重复电气性能、低电感、低阻抗、抗干扰、可靠性高、节省空间、装配 简洁、快捷等特点，可作为大功率模块化的连接部件。 叠层母排由于具有以上 优点，因此广泛应用于光伏、风电、电力及混合牵引、电力制动单元、电力牵引 设备、蜂窝通讯、基站、电话交换系统、大型网络设备、大中型计算机、电力开 关系统、 焊接系统、 军事设备系统、 发电系统、 电动设备的功率转换模块等场所。
大容量三电平逆变器叠层母排的研究
大容量三电平逆变器叠层母排的研究摘要：1500V大容量集中式三电平逆变器，分布杂散电感对IGBT的关断特性有着重要影响，叠层母排的设计能有效减小杂散电感，抑制各功率器件的关断电压尖峰，省去吸收电容，使结构紧凑。
本文提出了一种复合铜排的设计，通过理论与仿真计算了该设计方案的杂散电感，并用实验加以验证，最后给出了系统结构和实验波形。
关键词：三电平逆变器，杂散电感，叠层母排1 引言直流母线回路电感的大小与母线的连接方式有很大关系，通常采用的铜排连接由于正负母线间距较大，因此回路面积较大，导致较大的等效电感。
叠层平面母排由紧密贴合的正负极铜板和夹在两者之间的绝缘材料构成三明治结构，绝缘片采用高绝缘强度材质，厚度较小，保证了正负铜板之间极小的回路面积，减小了等效电感。
本文提出了一种复合叠层母排设计，以1500V 大容量逆变器为研究对像，最后通过仿真和实验加以验证，证明是该叠层铜排的设计是有效的。
2 三电平逆变器换流回路杂散电感的影响分析三电平逆变器存在换流过程，研究其中输出相电压为正的换流情况，其中IGBT由开通转为关断的基本状态有两种，其他状态都可以依此类推，图1（a）表示T1正在关断，T3正在开通，电流流向负载端（为正方向），图1（b）表示T3正在关断，T1正在开通，电流流向直流侧（为负方向）。
在换流过程中，电流IT1或IT3正在减小，电流IDc1或IDF正增大，这两路突变电流会在其经过的各段连接线路和器件的杂散电感上感应产生高频电压，如下图1（a）与图1（b）所示，这些铜排连接线路和器件构成一个“换流回路”。
换流过程中产生的感应电压为：式中，为T1管换流过程中各段连接铜排及器件杂散电感的总和。
IGBT T1管上的电压应力为：可见，换流回路上叠加的感应电压与直流电压一起加在图1（a）的T1，或图1（b）的T3上，产生关断电压尖峰。
尖峰过高，可能会导致IGBT过压击穿、开关损耗增大等负面问题。
杂散电感越小，T1管的应力UT1越小。
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源自：宁波乐士集团有限公司公司网站本文内容有：叠层母排的优势、设计、应用1、叠层母排的优势随着市场对兆瓦极大功率变流器的需求与日俱增，其使用的IGBT越来越短的开关时间也导致了过高的dv/dt 和di/dt，由于IGBT的电压与di/dt的分布杂散电感成正比，传统低分布电感的分立母排寄生电感量过大，在功率开关关断瞬间善省的瞬态电压与直流回路电压叠加，对功率开关和电动机绝缘构成威胁，分布电感越大，负载电流越大，功率开关的电流下降时间越短，这种危害就越严重。
Advantages of Laminated Busbar 分立母排表面电流分布图表面温度仿真图母排大小：正负极均为300mm*24mm*2mm模拟只连接一个电容时的温升分布电感，电容引脚距离32mm。
分布电感大小：168.17nH叠层母排表面电流分布图表面温度仿真图叠层母排大小：正负极均为300mm*56mm*1mm模拟只连接一个电容时的温升及分布电感，电容引脚距离32mm。
分布电感大小：27.24nH低局部放电率Lower Partial Discharge局部放电的成因有：高电压（大于等于直流1kV）；不同电压等级间的内绝缘和铜板间用胶粘剂热压后完全贴合，无任何气隙。
出厂前进行局部放电率测试，绝缘寿命超过29年，在整个变流器使用过程中免维护。
使用传统分离式母排，受振动。
盐雾和粉尘影响会严重威胁设备的安全；长期振动可能造成分离式母排连接处松动解体，海上的潮气如渗入绝缘将导致层之间击穿，高电气安全性粉尘累积可能导致爬电击穿。
而使用叠层，母排，高强度整体粘结保证长期不松动，同等电流下可以使铜排尽量减薄，用弹性补偿振动影响，全密闭结构纺织潮气渗入，绝缘材料封装消除了爬点击穿的威胁。
Higher level of electrical safety小空间，低成本使用叠层母排的设备能够利用较小的空间实现大电流、高电压元器件之间的链接，降低系统成本，提高设备可靠性和质量。
More compact space to reduce system costs2、叠层母排设计导体材料选择Conductors 叠层母排的导体材料主要采用牌号为T2的紫铜板或1060的铝板名称NAME 牌号CODE 密度DENSITY导电率ElectricalConductivity导热性ThermalConductivity电镀Electroplating紫铜Copper T2/C11000/C1100 8.9g/cm³98.3%IACS 388W/m-K Tin,Nickel,Silver,Gold铝合金Aluminum 1060/A1030 2.7g/cm³62%IACS 234W/m-K Tin,Nickel,Silver,Gold,Copper碲铜Tellurium copper CuTep/C14500 8.9g/cm³93%IACS 355W/m-K Tin,Nickel,Silver,Gold 黄铜BrassH62/C26000 8.53g/cm³28%IACS 120W/m-K Tin,Nickel,Silver,Gold绝缘材料选择Insulations叠层母排的主要绝缘材料一般采用PET，这种材料的性价比最优。
如有特殊要求可选用其他材料。
FR-4板及GPO-3板作为辅助绝缘材料使用。
材料Material密度Density(g/cm³)热导率ThermalConductivity(W/kg.k)介电常数DielectricConstant(f=60Hz)介电强度DielectricStrength(kV/mm)阻燃等级FlameRetardanc绝缘耐热等级Thermal class吸水性Hygroscopicity(%)/24h诺美纸NOMEX0.8~1.1 0.143 2.7 32 94V-0 220 10聚酰亚胺PI 1.42 0.094 2.8 173 94V-0 220 0.24聚酯薄膜PET 1.38 0.128 3.8 120 94V-0 105 0.1~0.2环氧玻璃布层1.6 0.24 4.6 40 94V-0 130 0.15 压板FR-4不饱和聚酯树1.95 0.2 4.5 40 94V-0 155 0.2~0.4 脂版 GPO-3NOMEX优良的耐火、耐热性、良好的耐化学腐蚀性，机械性能好的，耐辐射阻燃Flame resistance;Thermal resistance; Strong corrosion protection聚酯薄膜PET良好的电性能，耐化学腐蚀性，低吸湿性价格低廉Good electrical performance; Corrosion protection;Low water absorption;Low price.聚酰亚胺PI优良的耐热性、良好的电性能，耐辐射阻燃High temperature proof;excellent electrical performance;Radiation resistance;Flame resistance.FR-4机械。
电气用，中温下机械强度较高，高温下电气性能稳定性好。
For machinery, electrical equipment, high temperature mechanical strength, good electrical properties under high humidity stability.COP-3高温下良好的机械性能；优异的阻燃性，抗电起痕性能及防腐蚀性能。
Good mechanical properties under high temperature; excellent flame resistance,electrical resistance and anti-corrosive.设计标准Design reference standards设计一款叠层母排所需的电气参数如下：a ：额定工作电压及设备使用坏境污染等级，用于计算机所需的电气间隙、爬电距离和工频耐压测试电压值。
b ：额定工作电流、峰值电流大小及时间以及允许温升，这些参数决定了导体的大小及结构。
c ：其他特殊要求，如用防爆设备的产品，其电气要求会比常规产品要高。
参考标准：GB4706.1-2005家用和类似用途电气的安全:通用要求（IEC60335-1：2001 SAFETY OF HOUSEHOLD AND SIMILAR ELECTRICAL APPLIANCES ）GB12668.5调速电气传动系统 第5部分：安全的要求（IEC61800-5-1：2003 Adjustable speed electrical power drive drive systems - Part 5-1:Safety requirements - Electrical,thermal and energy ）GB3836.4-200 1爆炸性环境 第4部分：由本质安全性“i ”保护的设备（IEC 60079-11-2010 Explosive atmospheres - Part 11:Equipment protection by intrinsic safety “i ”）设计软件Design software仿真分析软件Simulation Softwares利用ANSYS 及ANSOFT 进行产品温升、电磁仿真，优化产品结构，以最经济最合理的结构完成产品设计设计计算Design formula最小截面经验计算公式Empirical formula for minimum cross-sectional area:A=0.203I*[1+0.1(N-1)] A:最小截面面积大小，单位mm2 I:峰值电流大小，单位AN:叠层母排层数电感Inductancea:铜排的电感计算公式（适用于直流和低频交流）：Inductance formula for single bar ( DC&low-freq AC)b:叠层母排的电感计算公式（适用于直流和低频交流）：Inductance formula for laminated bus bar(DC&low-freq AC)L:叠层母排电感，单位nHl：铜排长度，单位mmw：铜排宽度，单位mmd：上下铜排质检的中心距离，单位mm电容 CapacitanceC:叠层母排电容，单位pFµ：绝缘材料的相对介电常数l：铜排长度，单位mmw：铜排宽度，单位mmd：上下铜排质检的中心距离，单位mm数3、叠层母排应用叠层母排一般用于大功率电源柜以及各种大功率变流装置中。
一般采用铜板或铝板做导体，导体之间采用MYLAR绝缘膜进行隔离绝缘。
导体可以结合一些紧固件、连接器、线缆实现总路与各支路之间以及大功率元器件之间的打电流的传递。
与传统的、笨重的、费时和麻烦的分立母线和线缆方法相比，使用叠层母排可以提供现代的、易于设计、安装快速和结构清晰的配电的系统。
叠层母排由于低分布电动汽车、轨道交通牵引设备、变频器、逆变频、有源滤波装置、无功补偿装置、大型网络设备、大中型计算机、电力开关系统、焊接系统、军用设备系统等设备上。
Inverter 有源滤波设备APF equipmentConvertor光伏逆变器Solar InverterRail Transit converter无功补偿设备SVG equipmentElevator Inverter 大型计算机Super computerCell base stations风电变流器Windmill Inverter。