基于Ansys的低电感叠层母排设计

针对功率开关关断过电压和EMI危害,本文从减小回路杂散电感出发,阐述了叠层母排在功率变换器中应用优势及数学模型。然后,基于电磁场理论,提出回路面积最小化无感母排设计原则,并进行H桥逆变器叠层母排结构设计。最后,Ansys有限元仿真结果表明了设计方法的合理性。     

基于全碳化硅功率组件的变流器母排杂散电感解析计算方法

碳化硅(SiC)器件的高开关速度使得其对杂散参数更为敏感,容易激发高频振荡和超调.因此需要对功率回路杂散电感进行准确计算,其中以母排电感最为关键.该文首先对现有母排电感计算方法分析比较,并提出一种考虑趋肤效应影响的母排电感计算方法;在此基础上,结合有限元仿真定量分析空间几何参数、器件布局和母排开孔等因素对母排电感的影响,并通过最小二乘逼近得到多异结构母排电感解析计算公式.最后,使用该方法计算1200V/423A SiC MOSFET测试平台的母排电感,并分别与Ansys Q3D仿真提取结果和实验测试结果对比,结果表明,该方法计算大功率变流器叠层母排杂散电感具有较高的实用性和准确性,可为SiC MOSFET的应用研究和叠层母排的布局设计提供有益支撑.     

基于LC谐振的叠层母排杂散电感测量的新方法

现有的叠层母排杂散电感测量方法主要是基于电压过冲和关断电流变化率的原理,在精度上存在不足。为此提出了一种基于LC谐振的精确测量方法。测量时需要在IGBT桥臂两端并联吸收电容,并且在桥臂的上管并联一个线性电感器。控制桥臂下管的开关动作,就可以使叠层母排杂散电感和吸收电容构成二阶LC谐振回路。由于谐振周期和吸收电容的电容量都可以精确测量获得,因此可以准确计算得到杂散电感值。用该方法测量H桥逆变器叠层母排的杂散电感,测量结果验证了所提出方法的准确性。     

基于谐振原理的三电平叠层母排杂散电感测试方法

提出了一种基于LC谐振原理的三电平叠层母排杂散电感的测试方法.在测试电路中加入谐振电容,根据换流过程中叠层母排的杂散电感与已知谐振电流产生的谐振频率,精确测量出谐振频率,由已知的谐振电容数值推导出叠层母排的杂散电感.试验表明,该方法对于三电平叠层母排杂散电感的测量精度高,对于中高压三电平电力电子拓扑的过电压保护具有重要的指导意义.     

750kVA高功率密度二极管钳位型三电平通用变流模块的低感叠层母线排设计

针对750kVA高功率密度二极管钳位型三相三电平IGBT变流模块的设计需求,用ANSOFT Q3D软件比较研究3类适用于多层母线排的叠层方案,并提出一种新颖的叠层母线排分组连接结构,结合特殊设计的缓冲电容布局,减小各IGBT模块的关断过冲,省去阻容吸收电路,并优化了高频电流在不同电容间的分布,抑制电解电容发热。通过理论计算与仿真两种方式计算该设计方案的杂散电感,并用实验加以证实。此功率模块在测试中体现了良好的应用效果,最后给出系统结构和实验波形。     

开关磁阻电机功率变换器IGBT关断电压尖峰的分析与抑制

本文针对开关磁阻电机（SRM）功率变换器中的IGBT在关断时出现的尖峰电压进行了分析,就如何抑制IGBT关断尖峰电压提出了解决方法,并分别从减小主电路杂散电感和减小IGBT关断时电流的变化率两个方面出发,在结构上使用多组电解电容和叠层母排,以便减小换流回路,从而减小杂散电感。在驱动方面使用有源嵌位技术,减小IGBT关断时的电流变化率。     

三电平变换器无感母排设计

为了抑制大功率三电平变换器关断过电压的产生,从减小连接线路杂散电感出发,对无感叠层母排结构合理设计.首先,根据三电平变换器的拓扑结构和工作原理,阐述产生尖峰电压的四种强迫换流回路.然后,基于电磁场理论,提出回路面积最小化的无感母排设计原则,并应用到三电平防爆变换器中.实验结果表明,所用无感母排设计方法合理,有效抑制器件关断过电压,提高系统工作可靠性.     

适用于电压尖峰抑制的间接矩阵变换器电路杂散电感建模与优化设计

间接矩阵变换器换流过程及换流回路复杂,换流回路中存在大量杂散电感且不可忽略,在功率器件高频动作时将出现电压尖峰,导致功率器件的失效和损坏。对此,本文深入分析了间接矩阵变换器的换流原理及过程,通过构建换流回路的等效电路模型,采用电磁计算方法,探究影响杂散电感的主要因素及其对器件电压尖峰的影响作用机理,在此基础上,利用ANSYS软件建立间接矩阵变换器3D模型,进行杂散电感参数提取。据此,提出了一种电路优化设计方案,通过优化母排结构、布线方式、布线位置以及线路尺寸抑制换流回路杂散电感。对优化前后的样机进行仿真和实验测试,结果表明,杂散电感仿真值与实验值趋势大致相同,优化前后杂散电感值均有显著下降,最大下降32. 7%。相应地,功率器件关断时电压尖峰得以抑制,最大下降18. 3%,使得各器件均能工作于额定电压内。由此可见,建立的模型准确、可靠;且优化设计方案减小了换流回路的杂散电感,抑制了功率器件的电压尖峰,提高了系统运行的安全性、稳定性。     

基于分立器件并联型碳化硅逆变器的叠层母排设计研究

在分立器件并联型碳化硅逆变器中,主功率回路叠层母排的设计需满足低寄生电感、外电路对称及器件均温的目标。然而,现有叠层母排的结构方案大多针对的是功率模块,对于分立器件并联型叠层母排缺乏系统性的设计方法。首先以两管并联为例,展示分立器件并联型叠层母排的三维结构特征。接着提出一种分立器件并联型叠层母排寄生电感建模以及解耦计算方法,为评估并联支路寄生电感大小和对称性提供依据。最终基于Ansys Q3D的参数化仿真分析,对不同器件布局以及关键物理尺寸进行寻优,总结出分立器件并联型叠层母排的设计原则。基于上述方法,设计出一种六管并联型叠层母排结构,通过仿真和实验验证了该结构满足低感,外电路对称以及器件均温的设计目标。     

考虑寄生电感的谐振开关电容变换器电压尖峰抑制

基于碳化硅(SiC)器件的谐振开关电容变换器(RSCC)因其软开关特性,适用于高频、高功率密度的场合.但是较高的工作频率使其对线路寄生参数较敏感,易造成开关器件的电压尖峰问题.通过分析RSCC叠层母排模型,该文建立含有寄生电感的等效电路,研究寄生电感对电路运行模态的影响,并推导开关器件电压峰值与寄生电感之间的关系.在此基础上,提出优化叠层母排结构和吸收电容的电压尖峰抑制方案,仿真及实验结果验证了该文电压尖峰抑制方案的有效性和可行性.     

低感设计对变流器电容纹波电流影响分析与优化

在大功率变流器产品的设计应用过程中,因母排杂散电感的不匹配导致变流器模块支撑电容纹波电流有效值偏大,电容长期工作在超额状态以致损坏。针对上述问题,根据变流器模块不同母排结构建立相对应的数学模型,分析了支撑电容电流偏大的根本原因。通过试验的方法测量提取不同母排结构的杂散电感以指导后续母排的设计。根据理论分析提出了通过优化母排设计、改善控制算法来减小母线支撑电容纹波电流。最后,基于某一变流器平台,通过测量不同试验条件下电容电流纹波,对比分析试验数据以验证所提改进措施的有效性。     

考虑寄生参数影响的高压叠层母线排优化设计

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。     

Z源逆变器母线电压振荡的仿真分析与抑制

Z源逆变器由直通状态到非直通状态转换时逆变桥母线电压会产生振荡。针对上述现象,在考虑Z源逆变器主回路杂散电感的基础上,建立了等效分布参数模型,并通过仿真分析了杂散电感对母线电压的影响规律。在此基础上,采用低感性的平面母线技术并选择低感电容来抑制母线电压振荡。在一台5 kW基于Z源逆变器电动汽车电机控制器上进行实验。实验结果表明,所提方案对抑制Z源逆变器母线电压振荡具有有效性。     

层叠母排并联支路杂散电感建模及测量方法

建立精确母排的杂散电感模型是准确分析绝缘栅双极型晶体管(IGBT)可靠性的关键问题之一。大功率IGBT模块通常存在2~3个功率端子,端子之间的均流特性与母排所在支路的杂散电感相关。以一台三相两电平车载逆变器叠层母排作为研究对象,建立了母排并联支路的局部自感和互感模型,并对模型进行简化。借助Q3D仿真工具,对母排并联支路局部杂散电感进行提取,验证了模型简化方法的准确性。同时提出一种高精度的母排局部杂散电感测量方法,验证了杂散电感仿真结果的正确性。     

功率回路杂散电感对IGBT并联均流的影响

母排设计时,为了减小绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的关断瞬态电压尖峰,通常会将功率回路杂散电感设计的尽可能小,但回路杂散电感的大小也会对IGBT的并联动态均流产生影响。针对此问题,首先建立了功率回路杂散电感影响不均流度的数学模型,找到不均流的影响因素;然后,以IGBT物理模型结合Simulink仿真平台分析了回路杂散电感对并联均流的影响趋势;最终,通过双脉冲测试进行了验证,结果表明在该测试平台中,回路杂散电感减小2倍,最大会增加约10%的不均流度。     

寄生电感对于功率MOSFET开关特性的影响

分散在MOSFET栅极、源极、漏极的寄生电感由于封装以及印制电路板（PCB）走线,改变了MOSFET的开关特性。通过仿真分析对比,指出MOSFET寄生电感存在如下特性：源极电感对栅极驱动形成负反馈,导致开关速度变慢,采用开尔文连接,可以将栅极回路与功率回路解耦,提高驱动速度;在米勒效应发生时刻需要合理地降低栅极电感来降低栅极驱动电流;漏极电感通过米勒电容影响MOSFET的开通速度,在关断时刻导致电压应力增加;在并联的回路当中,非对称的布局将导致MOSFET之间的动态不均流;当MOSFET在开关过程中,环路电感与MOSFET自身的结电容产生振荡时,可以在电路增加吸收电容减小环路电感,改变振荡特性。     

基于杂散电感的IGBT开关特性优化方法研究

针对大功率变流器中绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关特性中由杂散电感引起的关断电压尖峰问题,首先利用Simplorer软件对应用中的IGBT模块进行建模,搭建单桥臂仿真电路,通过对比在不同杂散电感下IGBT开通关断瞬时的电压与电流波形,对这一问题进行分析与研究,然后提出一种直流侧与电容组两端布局的优化方法,降低了线路杂散电感的总量,使IGBT关断特性中的电压尖峰得到了有效抑制,同时缩短了IGBT的开关时间。最后通过一套功率为1.3 MVA的三相两电平逆变器进行实验,实验与仿真结果的对比证明了该优化方法的有效性。     

压接式IGBT模块的动态特性测试平台设计及杂散参数提取

压接式IGBT模块具有散热性能好、杂散电感小、短路失效直通等特点,在柔性直流输电等大容量电力电子变换系统中具有极为重要的应用潜能。然而,目前学术界和工业界尚未很好地理解压接式IGBT模块的动态开关特性,严重制约了其推广应用。从压接式IGBT的封装结构和电气特性出发,基于双脉冲测试原理,设计并搭建压接式IGBT模块的动态开关特性测试平台。采用Ansoft Q3D软件对测试平台的杂散参数进行仿真,分析杂散参数的分布特征、影响与提取方法,并通过实验进行验证,揭示叠层母排技术与吸收电容对器件关断电压尖峰的抑制作用,低寄生电感总和验证了平台设计方案的合理性。     

一种H桥功率单元母排优化方案

基于一种H桥功率单元的结构布局,从正弦脉宽调制(SPWM)的原理出发,详细分析了在H桥功率单元充电、放电情况下及上管、下管续流情况下的工作状态,并结合电容的内部结构,阐述了实际功率流的产生路径对电容温升及叠层母排温升产生的影响。通过一种续流母排的设计,详细分析了功率流如何通过续流母排而减小对电容的温升及叠层母排的温升,并通过试验平台进行测试,分别在无续流铜排及有续流铜排的条件下对电容的纹波电流及母排的温升进行测试,对测试数据进行分析,验证了理论分析的正确性。     

基于有限元仿真的柔直子模块母排优化设计

随着柔性直流输电技术的不断发展,柔直换流阀的设计也趋向于更加精细化。柔直换流阀子模块内部母排连接着核心器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)与直流电容,其作为主要换流回路,杂散电感是影响IGBT可靠工作的关键因素。此处以优化母排杂散电感为目标,通过对激励源频率和母排结构尺寸灵敏度进行分析,实现母排的优化设计。