考虑寄生参数影响的高压叠层母线排优化设计

陈向俊，唐吉林，郑琦琦，杜明星

（1.浙江省特种设备检验研究院，浙江 杭州 310022；2.天津理工大学自动化学院，天津 300384）

考虑寄生参数影响的高压叠层母线排优化设计

陈向俊1，唐吉林2，郑琦琦2，杜明星2

（1.浙江省特种设备检验研究院，浙江 杭州 310022；2.天津理工大学自动化学院，天津 300384）

以三相变流系统中的高压母线排为例，在原有独立母排基础上，设计了原格局下的和改善电容及功率器件分布格局后的叠层母线排，仿真和实验对其寄生参数进行研究。结果表明，相对于独立母排，设计的叠层母线排寄生电容参数增加，滤波效果增强；寄生电阻和寄生电感大大减小，叠层母排的寄生参数进一步降低；减小回路中的过电压和降低回路中的差模/共模干扰与近场辐射，对降低电力电子装置中的传导电磁干扰具有重要意义。

叠层母线排；寄生参数；传导干扰；近场辐射

功率开关器件的高速通断导致了过高的du/dt和di/dt，由于过电压与di/dt和分布杂散电感成正比，当母线排电感量较大时，在通断瞬间产生的尖峰电压与直流回路电压叠加，会造成器件击穿，加剧回路的共模干扰，严重影响了系统的安全性［1-3］。

文献［4］提出了一种直流母线排的高频模型，适用于较小尺寸，应用范围有一定的局限性；文献［5］提出了给母线排开狭长形缺口的方法来改变电流流向。本文依据设计标准GB/T 16935.1—2008［6］，在原有独立母排的基础上，设计了原有格局和新格局下的叠层母线排，并在Q3D环境下仿真与对比了三者的寄生参数和场分布图，在Saber环境中搭建电路仿真了不同母线排下的传导干扰，最后用实验来验证了仿真数据的正确性和设计的合理性。

1 叠层母线排设计原理

电力电子装置中的叠层母线排由若干层铜排组成，各层之间用很薄的高绝缘强度的材料隔开并黏合成一体，具有局部放电率低、电气安全性高、成本低、空间小等优点。母线排的导体材料一般为T2的紫铜或1060的铝合金，其他的还有黄铜，碲铜等；绝缘材料一般为聚酯薄膜（PET），介电常数为3.8，其他的还有诺美纸，环氧玻璃布层压板（FR-4）等等。

理论上当相邻母排内流过较高频的交流电流时会产生趋肤效应和接近效应，这2种效应使电流集中在母线排的接触面上，从而产生的部分磁场可相互抵消，使寄生电感减小，母排越靠近，磁场的相互抵消作用就越明显，因此叠层母排技术可以有效抑制电压尖峰［7-8］。

图1为叠层母线排结构示意图。

图1 叠层母线排结构示意图Fig.1 The structure diagram of laminated busbar

图1中，上下铜板尺寸相同，单层铜板母线排的长宽高分别为a，b，c，绝缘层厚度为h，由趋肤效应而产生的集肤深度δ为

式中：f为流过电流的频率；μ0为绝缘介质的磁导率；μ1,σ1分别为铜层的磁导率和电导率。

考虑集肤深度的影响，母线排等效集中参数为

式中：R，L，C分别为母线排的等效电阻、电感及电容参数；ρ为铜层的密度；ε0为真空绝对介电常数；εr为相对介电常数。

由式（2）～式（4）可知，增大铜板的宽度b和减小绝缘层的厚度h，可以减小母线排的电抗和杂散电感，但寄生电容会增加［9］。

2 母线排建模与仿真

2.1 建模提取寄生参数

按照独立母线排实际的物理尺寸建立模型，图2所示为在Q3D环境下建立母线排的三维模型，材料属性为铜层，相对介电常数为1，体电导率为5.8e-7 S/m，厚度为3 mm；依照当前器件的分布格局，按照设计原理，选取合适的尺寸建立叠层母线排的模型，正、负母线排为铜层，厚度为1.5 mm，中间绝缘层为聚氯乙烯，厚度为0.025 mm；改善电容与ΙGBT的分布格局后，建立叠层母线排的模型，宽度为52 mm，长度为353 mm。

图2 母线排的三维模型图Fig.2 The 3D model diagram of bus line

对于母线排而言，寄生参数主要是寄生电阻，寄生电感和寄生电容，在模型中设置好信号源与接收源，并选取要测量的参数进行仿真。由于正母线排和负母线排尺寸相差无几，仿真结果显示两者寄生参数相差不大，以正母线排为例，在频率为150 kHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz，30 MHz，50 MHz，80 MHz，100 MHz下的寄生参数仿真结果如图3所示。

图3中曲线1，2，3分别对应独立母线排，不改变格局时叠层母线排和改善格局后的叠层母线排在不同频率下的寄生参数。仿真结果显示:独立母排的寄生电阻和寄生电感相对较大，叠层母线排的寄生电阻和寄生电感相对较小，合理布局后的叠层母排可以进一步减小寄生电阻和电感；对于寄生电容而言，由于正负母线排构成电容的两极，这是独立母排所没有的，因此叠层母线排寄生电容相对较大（叠层母排寄生电容能达到42 nF上下，而独立母排的寄生电容仅在0.015 nF上下），可以进一步滤除线路干扰，对系统进行合理的布局，有助于减小叠层母线排寄生电容参数（布局后24 nF左右）。

图3 母线排的寄生参数Fig.3 Parasitic parameters of bus line

2.2 母线排寄生参数对共模干扰影响

图4a是单根母线排的等效电路模型［7］，其中R，L，g，C分别为母线排上的寄生阻抗，而n为母线排的分段数；图4b为正负母线排接入电路中的Saber仿真图，电路中接入LΙSN模块，用以提取干扰，其中母线排的寄生阻抗值按照之前仿真分析的结果进行设定，其中C为正负母线排之间的耦合电容，R为负载电阻。仿真结果如图5所示。

图4 母线排的仿真Fig.4 The simulation of bus line

图5 母线排共模干扰频谱图Fig.5 The CM interference spectrum diagram of bus line

图5中，CM1，CM2和CM3分别为独立母线排、原格局下设计的叠层母线排及改善格局后设计的叠层母线排形成的共模干扰频谱图。可以看出，在频率为0～30 MHz范围内，共模干扰幅值随着频率的增加而微弱减小，但干扰频谱CM1＞CM2＞CM3，说明叠层母线排在线路中引起的传导共模干扰要比独立母线排小，合理布局下设计的母线排引起的干扰最小，可以达到减小共模干扰的目的。

2.3 母线排场的观测

在Q3D的环境下，搭建不同母排的场模型，叠层母线排要加上去芯底板［9］，来观测其产生的近场辐射。母线排场布图如图6所示。

图6 母线排的场分布图Fig.6 Field distribution of bus line

设置好相应的变量参数，在同一频率下对独立母排、不改变分布格局时叠层母线排、改善格局后的叠层母线排进行场的仿真。图6右侧结果显示，优化叠层母线排的场分布显然要比独立母排的场分布弱得多，合理的布局可以在一定程度上进一步降低叠层母线排的场分布，叠层母排在接口处的辐射场较高，这可能是由于孔洞造成的涡流损耗和电流分布不均形成的。

3 实验验证分析

利用实验室设备精密阻抗分析仪（WK 6500B）对独立母线排和叠层母排的寄生参数进行测量，测试框图如图7所示。

图7 实验测试框图Fig.7 Block diagram of experimental test

独立母排的寄生电阻和寄生电感可以直接测量，要对寄生电容进行测量，需要在母排外面环绕一层铜箔或铝箔等金属箔构成电容的另一极，测量内母排和金属箔之间的电容［10-11］。叠层母线排寄生参数测试时接入电源与负载，使正负母线排中通过相反的电流，达到部分磁场抵消的目的。

测试结果用Origin软件进行汇总得到数据曲线如图8所示。

图8 母线排寄生参数的测量图Fig.8 The parasitic parameter measurement figure of bus

实验测试表明，独立母排寄生电感值分布在300～460 nH之间，去掉谐振点，平均值在405 nH左右，寄生电容平均值为20 pF（即0.02 nF）左右（去掉偏离值很大的点）；叠层母线排寄生电感值分布在8～26 nH之间，去掉谐振点，平均电感值为16 nH，寄生电容平均值为26 nF（去掉了偏离值很大的点）。两种母排的寄生参数变化趋势是一致的，与独立母排相比，叠层母排的寄生电感值变为很小，但寄生电容变为很大，提升了3个数量级。

4 结论

本文在三相变流系统中独立母线排的基础上，设计了原格局下的和改善电容和功率器件分布格局下的叠层母线排，并通过仿真和实验对独立母排的寄生参数进行了对比。测试结果表明：独立母排寄生电阻和电感值较高，寄生电容值不大；优化后的叠层母线排的寄生电容参数虽然比较大，但寄生电阻和寄生电感很低，改善格局后可以在一定程度上进一步降低寄生参数；优化后的叠层母排可以降低回路中的共模干扰和场辐射，提高系统的整体可靠性。

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Optimization Design of High Power Laminated Bus Bars Considering the Effects of Parasitic Parameters

CHEN Xiangjun1，TANG Jilin2，ZHENG Qiqi2，DU Mingxing2
（1.Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute，Hangzhou 310022，Zhejiang，China；2.School of Electrical Engineering，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

Based on the original independent bus in three phase current transformer system，the laminated bus bars on the original pattern and the improving distribution pattern of the capacitance and power device were designed.The simulation and experiment show that compared with the parasitic parameters of the independent bus，although the capacitance parameters of the laminated bus line is increased，the parasitic resistance and inductance are decreased greatly and the parasitic parameters of laminated bus can fall further after reasonable layout.The over voltage and the common-mode∕differential-mode interference in the circuit and field radiation can be reduced，also it is a great significance for reducing the conduction electromagnetic interference of power electronic equipment.

laminated bus bar；parasitic parameters；conducted interference；the near field radiation

TM46

A

10.19457∕j.1001-2095.20170714

2016-07-05

修改稿日期：2016-10-11

陈向俊（1977-），男，研究生，高级工程师，Email:893941593@qq.com