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[摘 要]复合母排产品广泛应用于功率模块的电路连接，利用复合母排可以降低系统的杂散电感，降低系统尖峰电压，改善系统散热特性，提高系统的可靠性和安全性；同种电路可以设计多种母排布置方案实现，而不同的母排布置方案的应用效果也有很大差异，本文针对一种功率模块上的叠层母排提出几种布局方案设计，通过理论分析和利用仿真软件分析对比，从而得到母排方案的最优设计。
[关键词]功率模块；母排；优化设计
中图分类号：C61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）02-0400-01
1 引言
伴随着低感母排在大功率变流器中在越来越广泛的应用，母排的设计也越来越重要，不同的母排方案使用效果不尽相同，考核一种母排方案的优劣的指标有电感，温升，电流均布性等，导体的形状结构，电容、IGBT接线端子的布置直接影响到电流流向，温升的大小，电感高低，为了验证各种母排布置方案的效果和缩短设计周期，通常我们可以采用理论分析配合仿真软件来调整产品结构和产品布置，以达到优化设计的目的。
2母排初步方案设计
本案例为一典型两电平电路，如图1所示：两组IGBT串聯与另外两组IGBT并联，电容的正负极分别与IGBT正负极相接，每组串联IGBT共用一个输出极，通过串联的两组IGBT其中一个IGBT工作，一个IBGT断开实现输出电流的变化；
根据此拓扑图进行母排的方案布置，如下图所示：将母排布置为三层四极，分别为负极、正极、L1、L2，从结构的紧凑性和经济性考虑，L1、L2同层布置，正负极导体复合叠层布置，导体根据载流量核算选择合理的厚度和长宽尺寸。
将四个IGBT阵列布置，电容横向布置，以节省模块空间，按照电容和IGBT极性要求，可以得到母排的极性布置，母排的初步方案如图3所示，由上向下依次为电容1、电容2，4个IGBT在下，电流由电容的负极到正极流向IGBT，再从IGBT输出到L1、L2；根据设计经验，由于IGBT正负极方向与电流流向一致，电流大部分集中在正负极板，正负极板叠层布置，流经叠层母排的电流大部分相互叠加，一定程度上抵消了对外的磁场，有效地减小了母排上的杂散电感，此设计方案可以达到母排低电感设计目的。
3母排电流电感仿真
因为在实际工况中，IGBT1与IGBT2工作时，IGBT3与IGBT4会断开，也就是如果要按照实际工况条件仿真，只要将电容短接，在其中一个IGBT两端的施加电流，就可以对此母排的工作状态下的电流和电感进行仿真分析，如图4所示：短接图中电容，即连接1与2处，在3与4处通电流，对母排进行仿真；
将产品模型导入仿真软件，按照母排工况用导体短接两组电容，短接其中一组IGBT，在与其串联的IGBT上的两极通入测试电流，经过仿真后得出母排模型电感值为50.23nh。
电流主要集中在每个元器件端子周围，而电容与IGBT之间的部位电流分布较少，而且靠近IGBT处的电容比另外一个电容承载的电流要大。
4仿真结果分析
施加在IGBT1上的仿真电流有L1流向与其短接的负极，再由负极到电容的负极，由于电容的短接，电流由负极向另一层的正极流向IGBT1的测试端，形成一个电流回路，电流在电容处基本上是横向流动，在IGBT处事纵向流动，由于电流的特点是沿最近路径流动，因此大部分电流在电容2处即返回IGBT1，只有少部分扩散到电容1处，电容2承载的电流相对要大。
5母排方案的优化
从仿真结果分析可以提出假设，如果改变电容处电流的流向，应该可以最大程度上保证电流的一致性，让正负电流产生对外的磁场更好地抵消，从而将母排的电感进一步降低，并达到均横电容上电流的效果，保证两个电容发挥其相同的功效，在不改变现有元器件的情况下，通过对换电容极性即可实现。
将电容2与电容1的极性在纵向错位布置，使得电流在电容处也是纵向流动，L1流向与其短接的负极，再由负极到电容的负极，由于电容正负极的交错布置，电容1与电容2之间电流会充分对流，形成多个相互抵消的电流回路。
6 优化后母排电流电感仿真
将产品模型更改电容极性导入仿真软件，同样用导体短接两组电容，短接其中一组IGBT，在与其串联的IGBT上的两极通入测试电流，经过仿真后得出母排模型电感值为43.16nh，比原设计电感低7nh左右。
电流主要集中在每个元器件端子周围，但整体母排产品表面电流要均匀得多，电容1和电容2的电流承载也相对要均匀。
7 结论
经过对这种典型功率模块母排设计的仿真分析，并优化设计，再仿真验证，确实降低了母排的电感，使得母排上电流更为均匀，元器件的利用也更加平衡。通过此案例不难发现，母排产品的设计关键在于电流流向，在不增加产品成本，不更改元器件的情况下，通过更改产品结构，合理利用元器件极性布置来改变电流路径，是母排布置方案设计的重点考虑内容。
参考文献：
[1]唐海燕，唐洲. 功率变换器中直流支撑电容器的选择和应用 [J]. 大功率变流技术. 2011 （06）
[2]葛利俊，梅玮，郝铁军. 基于IPM的新型开关磁阻电机功率变换器电路 [J]. 微电机.
作者简介：
王亮，男，湖南省株洲市，民族：汉族；职称：工程师（中级）；学历：大学本科；研究方向：变流技术及电连接技术的研究。
[关键词]功率模块；母排；优化设计
中图分类号：C61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）02-0400-01
1 引言
伴随着低感母排在大功率变流器中在越来越广泛的应用，母排的设计也越来越重要，不同的母排方案使用效果不尽相同，考核一种母排方案的优劣的指标有电感，温升，电流均布性等，导体的形状结构，电容、IGBT接线端子的布置直接影响到电流流向，温升的大小，电感高低，为了验证各种母排布置方案的效果和缩短设计周期，通常我们可以采用理论分析配合仿真软件来调整产品结构和产品布置，以达到优化设计的目的。
2母排初步方案设计
本案例为一典型两电平电路，如图1所示：两组IGBT串聯与另外两组IGBT并联，电容的正负极分别与IGBT正负极相接，每组串联IGBT共用一个输出极，通过串联的两组IGBT其中一个IGBT工作，一个IBGT断开实现输出电流的变化；
根据此拓扑图进行母排的方案布置，如下图所示：将母排布置为三层四极，分别为负极、正极、L1、L2，从结构的紧凑性和经济性考虑，L1、L2同层布置，正负极导体复合叠层布置，导体根据载流量核算选择合理的厚度和长宽尺寸。
将四个IGBT阵列布置，电容横向布置，以节省模块空间，按照电容和IGBT极性要求，可以得到母排的极性布置，母排的初步方案如图3所示，由上向下依次为电容1、电容2，4个IGBT在下，电流由电容的负极到正极流向IGBT，再从IGBT输出到L1、L2；根据设计经验，由于IGBT正负极方向与电流流向一致，电流大部分集中在正负极板，正负极板叠层布置，流经叠层母排的电流大部分相互叠加，一定程度上抵消了对外的磁场，有效地减小了母排上的杂散电感，此设计方案可以达到母排低电感设计目的。
3母排电流电感仿真
因为在实际工况中，IGBT1与IGBT2工作时，IGBT3与IGBT4会断开，也就是如果要按照实际工况条件仿真，只要将电容短接，在其中一个IGBT两端的施加电流，就可以对此母排的工作状态下的电流和电感进行仿真分析，如图4所示：短接图中电容，即连接1与2处，在3与4处通电流，对母排进行仿真；
将产品模型导入仿真软件，按照母排工况用导体短接两组电容，短接其中一组IGBT，在与其串联的IGBT上的两极通入测试电流，经过仿真后得出母排模型电感值为50.23nh。
电流主要集中在每个元器件端子周围，而电容与IGBT之间的部位电流分布较少，而且靠近IGBT处的电容比另外一个电容承载的电流要大。
4仿真结果分析
施加在IGBT1上的仿真电流有L1流向与其短接的负极，再由负极到电容的负极，由于电容的短接，电流由负极向另一层的正极流向IGBT1的测试端，形成一个电流回路，电流在电容处基本上是横向流动，在IGBT处事纵向流动，由于电流的特点是沿最近路径流动，因此大部分电流在电容2处即返回IGBT1，只有少部分扩散到电容1处，电容2承载的电流相对要大。
5母排方案的优化
从仿真结果分析可以提出假设，如果改变电容处电流的流向，应该可以最大程度上保证电流的一致性，让正负电流产生对外的磁场更好地抵消，从而将母排的电感进一步降低，并达到均横电容上电流的效果，保证两个电容发挥其相同的功效，在不改变现有元器件的情况下，通过对换电容极性即可实现。
将电容2与电容1的极性在纵向错位布置，使得电流在电容处也是纵向流动，L1流向与其短接的负极，再由负极到电容的负极，由于电容正负极的交错布置，电容1与电容2之间电流会充分对流，形成多个相互抵消的电流回路。
6 优化后母排电流电感仿真
将产品模型更改电容极性导入仿真软件，同样用导体短接两组电容，短接其中一组IGBT，在与其串联的IGBT上的两极通入测试电流，经过仿真后得出母排模型电感值为43.16nh，比原设计电感低7nh左右。
电流主要集中在每个元器件端子周围，但整体母排产品表面电流要均匀得多，电容1和电容2的电流承载也相对要均匀。
7 结论
经过对这种典型功率模块母排设计的仿真分析，并优化设计，再仿真验证，确实降低了母排的电感，使得母排上电流更为均匀，元器件的利用也更加平衡。通过此案例不难发现，母排产品的设计关键在于电流流向，在不增加产品成本，不更改元器件的情况下，通过更改产品结构，合理利用元器件极性布置来改变电流路径，是母排布置方案设计的重点考虑内容。
参考文献：
[1]唐海燕，唐洲. 功率变换器中直流支撑电容器的选择和应用 [J]. 大功率变流技术. 2011 （06）
[2]葛利俊，梅玮，郝铁军. 基于IPM的新型开关磁阻电机功率变换器电路 [J]. 微电机.
作者简介：
王亮，男，湖南省株洲市，民族：汉族；职称：工程师（中级）；学历：大学本科；研究方向：变流技术及电连接技术的研究。