交流铜排结构对功率模块并联均流的影响

宫敏

摘 要：当应用多个小电流绝缘栅的双级型晶体管模块时，能够进行直接并聯，这也是大功率光伏网逆変器设计最为常规的应对方法。在多数IGBT模块并联应用下，模块之间的输出均流问题就成为了设计的难点。而且，此问题也是决定逆变器可否长久平稳运行的重要因素。基于窝流场角度，深入分析多个IGBT模块在应用较长交流铜排并联时，铜排空间结构影响模块并联均流的实际原因，并进一步针对IGBT模块并联均流转化为电路问题进行解析，提出有关功率模块并联均流的电路模型。

关键词：交流铜排;均流;绝缘栅双级型晶体管

引言

伴随着光伏发电产业的快速发展，光伏并网逆变器的容量也在逐渐扩大，但是电力电子逆变装置的核心器件IGBT的功率模块单只电流容量却变的极为有限。一旦并联IGBT模块数量增多时，考虑到散热，模块的整体布局也会相对分散，这就需要更长的交流铜排在可以将模块的交流输出端有效并联起来，如果交流铜排的长度与尺寸较大时，铜排的空间结构会对IGBT模块的并联均流产生极为明显的影响效果。根据交流铜排空间结构影响模块均流的因素为基础，提出有关模块并联均流的电路模式设计，这样能够更具优势的协助交流铜排结构设计。

1 IGBT模块并联结构应用

面向处于中等功率阶级的光伏并网逆变器而言，如果几个零散的IGBT模块处于非常紧凑的状态，并聚集在一起时，可以通过短接铜排将现有模块的交流输出端有效并连在一起，这样就能够满足逆变器所输出电流的应用标准。而对于紧凑型的并联结构交流，铜排尺寸一般很小，并且结构较为容易产生对称，而对IGBT并联均流的影响并不突出。在几个并联子单元做出更为复杂的并联时，需要考虑散热情况与各种结构原因，各个子单元设计布局会相对分散。所以交流铜排就会呈现出较长的状态，并且整个空间结构错综复杂，铜排也产生了较大的阻抗，面对这样的现象，铜排结构不合理就会导致铜牌结构内的电流产生不均匀的现象。一旦单台逆变器功率上升到1.25mw时，IGBT模块并联子单元就需要展开二级并联，如果设计与应用不合理，均流度小于5%的标准，就会存在极为严重的均流问题。

2  交流铜排结构影响并联均流的本质原因

2.1交变电流分布和导体空间结构相关

有关光伏并网逆变器来说，主要输出是Hz的工频正弦电流。按照电磁场的相关理论，在良导体结构中，紫外线以下频段均可以忽略位移电流，在导体中，一旦忽略了位移电流，电磁场就会处于一种磁准静态场的环境中，工频电流在铜排内的分布状况，基本属于磁准静态范围。电流面向载流导体的分布情况也具有两个规律，一个为邻近效应，另外一个则是集肤效应。

2.2载流导体周围的金属对电流分布影响

如果截流导体周围存在金属时，交变电力滋生的时变磁场就会在金属中感应到涡流，涡流也会引发磁场效应，当此磁场反应过来时，就会影响截流导体内的电流分布状况。

在相对实际的逆变器结构内，金属外壳或者是金属箱体是不可忽视的重要组成部分，这些金属板一般就会分布在截流导体或者是交流铜排的周围。正是因为金属板的存在，才会促使铜排内的交变电流分布更加复杂，面对这样的情况，但要考虑铜排自身的空间结构，还有细致的考虑铜排周围对金属板所产生的诸多影响。这也为铜排结构设计带来了设计上的难度。所以，最佳方案就是应用交流铜排来远离金属板或者是相关的金属结构器件。

3 IGBT模块并联电路模型

3.1变流铜排寄生参数提取原理

实际而言，IGBT并联均流一般只注重了单个铜排内部的电流分布情况，正是因为这样，能够将一个铜排等效划分为简便的电阻串联电感模式。这是由于铜排电感与电阻都是通过铜排自身不能忽视的空间结构所导入的，所以他们属于寄生电感与寄生电阻。

3.2应用较长铜排IGBT模块并联电路模型

在以2个半桥模块的并联为例下，等效电路模型的3个半桥模块交流铜排寄生电阻，会分别在半桥模块的交流铜排汇聚点产生寄生电感，这3个交流铜排每两个相连就会有所感应。在每个支路上还会形成阻抗，排除铜排引入的寄生电阻与寄生电感之外，还存在IGBT模块本身携带的阻抗。

在应用电磁场仿真软件时，可以根据情况模拟建立一个实际1.25MW逆变器的中交流铜排3D模型，其激励电流的频率为50hz。因为截流导体周围金属板会为截流导体磁场分布产生强烈的英雄，所以在模型内部融入了交流铜排的金属板，环绕在四周，这些金属板作为逆变器实际运行箱体结构的一个重要组成部分，其材质以Q235材料为主。在以仿真所获得的3个交流铜排寄生电感矩阵下，其反震出来的3个铜排寄生电阻分别是98?、74?、50?。

3.3优化改进方案

有效获取到IGBT模块均流内的电路模型，按照匹配的阻抗，促使每个支路阻抗能够优化改进到相同的基本思路中，在阻抗很小的支路上增添阻抗，如此就能够有效改变均流。如果是在铜排结构中套用磁芯，是增添铜排感抗最为简便的方式。

结束语：综上所述，在大功率逆变器结构中，IGBT模块会应用较长的交流铜排并联，铜排空间结构设计不合理，就会使模块并联产生不均流的现象。因此，交流铜排的结构设计必须要以对称为基本原则，并对IGBT模块并联均流电路模型展开细致分析与设计，从各项数据实验及分析研究下，能够体现出模块并联均流电路模型基本准确。

参考文献：

[1]马建林，王莉，阮立刚.基于SiC MOSFET的多芯片并联功率模块不均流研究[J].电源学报，2019，17（04）：193-200.

（南京国电南自维美德自动化有限公司;江苏 南京 210000）