20世紀80年代以來，以IGBT為代表的雙極型復合器件迅速發展，使得電力電子器件沿著高電壓、大電流、高頻化、模塊化的方向發展。隨著我國高壓變頻器廣泛應用于我國國民經濟各個行業，高壓變頻器朝著體積更小、結構更加緊湊、功率密度高的方向發展。在此基礎上對高壓變頻器系統的可靠性提出了更高的要求。目前，合康高壓變頻器均采用疊層母排作為濾波電容與功率模塊的連接部件，與傳統的、笨重的、費時及麻煩的配線方法相比，使用疊層母排可以提供現代的、易于設計、安裝快速及結構清晰的配電系統。

一、高壓變頻器未使用疊層母排時存在的尖峰電壓影響

在高壓變頻器功率回路中，IGBT 的關斷尖峰電壓是由于通過IGBT 的電流在IGBT 的關斷時而產生的瞬時高電壓。現以感性負載半橋電路關斷過程加以說明（如圖1）。

   圖1 感性負載半橋電路關段過程      圖2 尖峰電壓波形圖

假設Q2截止，Q1處于開通狀態。若主回路為理想電路且不存在寄生電感，當Q1由導通變截止時，由于感性負載電流不能突變，將通過續流二極管D2續流，以構成電流回路。此時Q1上的電壓將上升，直到它的值達到比母線電壓Ed高出一個二極管的壓降值才停止增加。但在實際的功率電路中存在寄生電感，如圖中的等效寄生電感LS。當Q1截止時，電感LS阻止負載電流I0向Q2的續流二極管D2切換。在電感LS兩端產生阻止母線電流增加的電壓，它與電源電壓相疊加形成尖峰電壓（如圖2）并加在Q1的兩端。該尖峰電壓一方面增加了開關損耗，在極端情況下，該尖峰電壓會超過IGBT的VCES額定值，并損害IGBT。[1]

等效寄生電感分布于整個功率電路中，主要由母線寄生電感和功率模塊寄生電感等組成，分布電感量越大，負載電流越大，功率開關di/dt越短，這種危害就越嚴重，且這種危害不會因為功率開關器的選擇而消失。

二、疊層母排對抑制尖峰電壓起到的作用

高頻化、大功率電壓控制型功率器件在開關過程中，由于母線寄生電感和功率模塊自身電感的影響，會產生很高的尖峰電壓，這種尖峰電壓一方面增加了開關損耗，使系統發熱增加，另一方面過高的尖峰電壓會影響功率模塊正常工作。因此，必須將開關過程的尖峰電壓限制在允許范圍內。降低開關過程中尖峰電壓的途徑有兩種：一是通過選擇合適的柵極驅動電阻來減小di/dt，從而減小尖峰電壓，但弊端是導致dv/dt減小，開通時間和關斷時間延長，進而增加開關損耗；二是減少直流回路功率母線的分布電感(寄生電感)，這種方式通常采用疊層母排來降低尖峰電壓。

疊層母排（如圖3），其結構是將兩層或多層銅排疊在一起，銅板層與層之間用絕緣材料進行電氣隔離，通過相關工藝將導電層和絕緣層壓制成一個整體。它的優勢是將連接線做成了扁平的截面，在同樣的電流截面下增大了導電層的表面積，同時導電層之間的間隔大幅降低，由于鄰近效應使得相鄰導電層流過相反的電流，它們產生的磁場相互抵消，從而使得線路中的分布電感大幅降低。

圖3 合康疊層母排實物圖

合康高壓變頻器采用設計優良的低電感疊層母排作為濾波電容與功率模塊的連接部件（如圖4），不僅可以大幅降低尖峰電壓，還可省去吸收電路，降低IGBT的選型電壓，提高了系統的可靠性及安全性。

圖4 疊層母排用于高壓變頻器實物圖

三、 疊層母排的其他優點

1、提高系統可靠性

傳統母線因為考慮空間大小及載流情況，一般選用又厚又窄的銅排，不僅電阻大，散熱差導致系統溫升高，而且加工困難，安裝繁瑣。而使用疊層母排(如圖5中新結構示意圖)，其結構設計簡潔清晰，整體化安裝，便于裝配和現場維護，提高生產裝配速度及降低了裝配出錯率，從而降低整機裝配的人工成本；其次結構設計集成度高，方便產品系列化和模塊化，提高產品可靠性。

圖5 左：原結構示意圖  右：新結構示意圖

2、低阻抗，高容值，有效簡化IGBT吸收電路

疊層母排采用的絕緣紙厚度相對較薄，介電常數K相對較高，所以疊層母排的電容相對較大，即相當于增加了系統電容；另外，疊層母排的物理結構特點也決定了它相對于傳統母排具有均勻且高的分布電容、低的串聯電感、低的系統阻抗的特性（如圖6中方案1），可以有效簡化IGBT吸收電路。

圖6 電氣性能比較

3、使用更安全

局部放電是指絕緣內部產生的局部漏電現象，會導致系統絕緣快速老化，這將是高壓變頻器面臨的一個嚴重的安全隱患。造成局部放電的原因有：一是大于等于直流1kV的高電壓；二是不同電壓等級間的內絕緣和銅板間有氣隙。疊層母排的絕緣層和銅板間用膠粘劑熱壓后完全貼合，無任何氣隙。出廠前進行100%局部放電率測試，絕緣壽命超過20年，在整個變頻器使用過程中免維護，解決了變頻器因長期運行而引發的安全隱患問題。

4、散熱效果更佳

疊層母排較低的阻抗特性能夠以更低的電壓降實現高電流承載能力，加上較高的容值儲存了更多的熱能，所以疊層母排比傳統母排更容易散熱冷卻，可以有效地降低系統溫升。

此外疊層母排的扁平結構提供了更佳的散熱效果，寬而薄的導體對系統中空氣的流動十分有利。由于整體尺寸減少，系統散熱的成本也隨之減少。疊層母排不僅可以使系統結構更加緊湊，還可以通過圓滑設計改進熱流動。

5、對抗惡劣環境

使用傳統分離式母排，振動、鹽霧、冰雪和粉塵環境會對母排造成安全威脅：長期振動可能造成分離式母排連接處松動解體，海上的潮氣如果滲入絕緣體內將導致層間擊穿，粉塵累積可能導致爬電擊穿，冰雪天氣可能使銅排受潮凝露，導致爬電擊穿等。而使用疊層母排，高強度整體粘結保證長期不松動，同等電流下可以使銅排盡量減薄，用彈性補償振動影響，全密閉結構防止潮氣滲入，絕緣材料封裝消除了爬電擊穿的威脅，這些特點表明使用疊層母排可以整體提高系統對抗惡劣環境的能力。

四、 結束語

高壓變頻器運行時，IGBT工作在大電流的高頻通斷狀態下，由于線路電感和器件寄生電感的存在，在IGBT關斷時會產生電壓尖峰施加在IGBT上，嚴重影響IGBT的工作狀態，降低設備運行的可靠性。通過上述疊層母排的特點，疊層母排在合康高壓變頻器上的應用，可以有效地降低線路的分布電感，抑制尖峰電壓，減小渦流熱效應，大大簡便設備裝配及維護，對于改善變頻器的整體系統性能，提高系統的可靠性十分有利。