叠层母排设计
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。
叠层母排技术要求
叠层母排技术要求叠层母排技术广泛应用于电力、通信、汽车等领域，为了确保系统的安全和稳定，必须遵循一定的技术要求。
本文将从母排材料、母排连接、母排布局、母排绝缘、母排标识、母排保护、母排安装和母排测试等方面进行详细介绍。
1.母排材料叠层母排应采用高导电、高导热、耐腐蚀、抗疲劳的优质材料。
常用的材料包括铜、铝、铜合金等。
根据实际需求，可选择不同规格的导体材料，以满足电流承载和机械强度的要求。
2.母排连接叠层母排之间的连接必须牢固可靠，接触面应平整、清洁，并使用适当的紧固件。
对于关键连接部位，应进行接触电阻和连接强度的检测，确保连接质量符合设计要求。
3.母排布局叠层母排的布局应合理、紧凑，以减小电流在传输过程中的损失。
同时，应考虑到散热设计，确保母排在正常工作时不会过热。
此外，还要注意防止电磁干扰对周围设备的影响。
4.母排绝缘叠层母排应有足够的绝缘性能，以防止电流在不同层之间的泄漏。
绝缘材料应具有高电气绝缘强度和耐高温性能，以确保母排在恶劣环境下的安全运行。
5.母排标识叠层母排应有清晰的标识，包括产品名称、规格型号、额定电流等信息。
这些标识应耐久、清晰，以便于后续维护和管理。
6.母排保护叠层母排应采取适当的保护措施，以防止机械损伤和电气故障。
例如，可以在母排外面加装保护套管或支架，以防止母排弯曲或扭曲。
此外，对于关键部位，还应设置温度传感器和过载保护装置。
7.母排安装叠层母排的安装应按照制造商提供的说明书进行，确保连接正确、稳固。
在安装过程中，应避免母排受到过大的应力或弯曲，以免影响其机械性能和电气性能。
此外，还要注意保持工作区域的清洁和安全。
8.母排测试在安装完成后，应对叠层母排进行测试，以确保其正常工作。
测试内容包括但不限于：电气性能测试（如电阻、绝缘电阻等）、机械性能测试（如拉伸、弯曲等）以及环境适应性测试（如耐高温、耐低温等）。
测试结果应符合设计要求，以保证叠层母排在预期的使用寿命内安全可靠地运行。
功率变换器叠层母排优化设计
功率变换器叠层母排优化设计
王青;卢林辉
【期刊名称】《电力与能源》
【年(卷),期】2013(034)001
【摘要】以60 kW开关磁阻电机系统中采用三相不对称半桥电路的功率变换器为例,设计叠层母排方案,通过电路仿真,研究各部分杂散电感对电路瞬态特性的影响.分析母排设计中各几何因素对杂散电感影响,引入影响因子,对母排设计中各因素的影响程度进行评估.据此,为母排最优设计提供依据.
【总页数】5页(P34-38)
【作者】王青;卢林辉
【作者单位】中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州 221008;中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州 221008
【正文语种】中文
【中图分类】TK645.1
【相关文献】
1.大功率脉冲电能变换器功率模块叠层母排设计与优化研究 [J], 杜立天;彭俊荣;尹斌传
2.高压大容量变换器中母排的优化设计 [J], 易荣;赵争鸣;袁立强
3.大功率变流器系统叠层母排耐压漏电流的分析 [J], 李江胜;彭乐忠;高熠辉
4.基于有限元的叠层母排优化设计方法 [J], 张鹏程;张正卿;吴钫;帅骁睿;李锐
5.一种注塑叠层母排内部缺陷的检测方法 [J], 刘金锋;王斯博;徐德才;赵慧超;黄智昊
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大功率变流器系统H桥低感叠层母线排设计
大功率变流器系统H桥低感叠层母线排设计大功率变流器系统H桥低感叠层母线排设计1 引言大功率变流器正在被越来越广泛的应用，其所使用的igbt越来越短的开关时间导致了过高的dv/dt和di/dt，这就导致了分布杂散电感对功率器件关断特性有更重要的影响。
叠层母排技术可以有效抑制igbt的过电压尖峰[1][2]。
近年来直流母线排的研究主要有两个方向:(1)由于开关频率越来越高，其母线排的高频模型变得非常重要。
在文献[3]中提出了直流母线排的高频模型，但是这些文章都采用了较小尺寸器件适用的peec 方法，通过建立等效电路得到母线排的高频模型，所得到的母线排模型应用范围比较狭窄，而且缺乏工程实用性。
(2)改变母线排形状以实现低电感。
有文献采用给现有母线排开狭长形缺口的方法以改变电流流向，但其减少母排电感的可靠性值得怀疑，因为母线排内的孔洞造成的涡流损耗和电流分布不均可能反而会增加母线排的电感。
本文从实际出发，针对80kva/400a变流系统h桥母线排提出一种新的优化设计方案，从igbt布局，母排结构设计，缓冲吸收电路选择等方面全方位保证母排电感参数达到最优，在实际应用中有很好的可行性和可靠性。
2 igbt并联均流设计随着市场对兆瓦级大功率变流器的需求激增，目前igbt并联方案已成为一种趋势。
因为igbt并联能够提供更高的电流密度、均匀的热分布、灵活布局以及较高的性价比(这取决于器件及类型)。
通过将小功率igbt模块(包括分立式igbt)、大功率igbt模块进行并联组合，可获得不同额定电流的等效模块，而且实现并联的连接方式也灵活多样。
以高压变频器中广泛采用的h桥拓扑结构功率单元为例，其并联实现可以用不同电路结构的igbt模块，如半桥“ff”、单个“fz”、四单元“f4”和六单元“fs”，如图1所示。
并联可降低模块热集中，使其获得更加均匀的温度梯度分布，较低的平均散热器温度，这有益于提高热循环周次。
因此，igbt并联是大功率设计应用的最佳解决方案之一。
叠层母排加工工艺流程
叠层母排加工工艺流程
叠层母排加工是一种常用的化工设备加工工艺，它可以在设备中使用叠层的母排来实现电气连接，从而增强设备的稳定性和可靠性。
叠层母排加工的工艺流程主要包括以下步骤：
1.设计母排结构。
在进行叠层母排加工之前，需要先根据设备的电气连接需求来设计母排的结构。
这包括母排的长度、宽度、层数、与设备的连接方式等。
2.制作母排板。
制作母排板需要根据母排结构的设计来进行选择材料、切割、打孔、折弯等工序。
在制作母排板时要注意板材的厚度、硬度和强度等因素。
3.叠层母排。
按照设计要求和实际需要，将母排板按照一定的顺序和方式进行叠层，并使用螺栓、螺母等工具将其固定在一起。
在叠层过程中要注意钻孔、插孔等精细加工的准确度。
4.加工连接槽。
将叠层好的母排板放置在加工平台上，使用铣床等设备将连接槽加工出来，以便将母排与设备连接。
5.清洗、打磨。
加工完成后，需要对母排进行清洗和打磨，以确保表面光洁度，避免电池短路或接触不良等问题。
6.总检验。
在确保加工无误后，对叠层母排进行总检验，以确保其电气性能和连接稳定性等指标符合设备要求。
通过以上工艺流程，可以保证叠层母排加工的质量和可靠性，为设备的正常运行提供有力保障。
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。
叠层母排降低杂散电感的原理
叠层母排降低杂散电感的原理最近在研究叠层母排降低杂散电感的原理，发现了一些有趣的事儿呢。
咱先来讲个生活小现象吧。
你看啊，在马路上，如果车辆都乱七八糟地行驶，就容易堵车，而且各种交通秩序都会乱套。
这就有点像电路里杂散电感引起的混乱状况。
杂散电感就像是那些不按规则走的小“车辆”，在电流传输的电路这个“大马路”上添乱。
那么叠层母排是怎么让这些杂散电感听话的呢？这就要说到它的结构了。
叠层母排是多层结构的，就好比咱们住的公寓，一层一层的很有秩序。
这种多层结构使得电流的路径规划得更好。
打个比方吧，就像公寓里有专门的电梯通道（就是电流的低电感路径），大家（电子）都按照这个通道来走，就不会乱窜乱撞了。
而且，叠层母排内部的导体之间的距离设计得很巧妙。
我个人理解啊，就像咱们摆放家里的家具一样。
如果东西都堆在一起，杂乱无章，到处挪东西的时候就容易磕磕碰碰。
而合理地摆放家具，就会让家里的空间使用起来很顺畅。
在叠层母排里，合理的导体间距就是把这些电流的通道规划好，减少了电感产生的那种“磕磕碰碰”，也就是减少了杂散电感。
有趣的是，我一开始也不明白为什么叠层母排的多层结构会对减少杂散电感这么有效呢。
后来深入学习才知道，这是和电磁学理论相关的。
在电磁学里，电感的大小和电流路径周围的磁场有关系。
叠层母排的设计极大地改变了这个磁场的分布情况，就像是重新布置了一个房间的魔法磁场一样神奇。
实际应用案例有很多啊。
像在电动汽车的电池包系统里就会用到叠层母排。
这是因为电动汽车的电池需要快速充放电，如果杂散电感过高的话就会产生很高的尖峰电压，就像水在水管里突然遇到堵塞就会喷出来一样，这对电池和其他电子元件是很危险的。
叠层母排降低了杂散电感，就像给电池电流打造了一条安全又高效的康庄大道。
这里要注意的是，虽然叠层母排能降低杂散电感，但它也不是在每种情况下都能达到完美的效果。
比如说在极端的高温或者强磁场干扰等特殊情况下，它的性能可能会受到影响。
这也让我感觉我们对于叠层母排的研究还存在很多可以继续深入的地方。
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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
Thermal
Conductivity
电镀
Electroplating
紫铜
Copper T2/C11000/C1100 8.9g/cm³
98.3%IACS 388W/m-K Tin,Nickel,Silver,Gold 铝合金
Aluminum 1060/A1030 2.7g/cm³
62%IACS 234W/m-K
Tin,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/cm³
28%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
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
PET
1.38 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 0.15
FR-4
不饱和聚
1.95 0.2 4.5 40 94V-0 155 0.2~0.4 酯树脂
版GPO-3
NOMEX
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A
N:叠层母排层数
电感Inductance
a: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nH
l：铜排长度，单位mm
w：铜排宽度，单位mm
d：上下铜排质检的中心距离，单位mm
电容 Capacitance
C:叠层母排电容，单位pF
µ：绝缘材料的相对介电常数
l：铜排长度，单位mm
w：铜排宽度，单位mm
d：上下铜排质检的中心距离，单位mm数。