大容量电力电子装置中母排杂散电感提取方法的优化研究｜大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征与运行机制专题
浙江大学电气工程学院、中车株洲电力机车研究所有限公司的研究人员金祝锋、李威辰、胡斯登、张志学、何湘宁，在2017年第14期《电工技术学报》上撰文指出，在大容量电力电子装置中，母排的杂散电感在开关器件换流过程中会引入非理想的电压尖峰，并使得系统的电磁干扰进一步恶化。
为分析与优化系统性能，需要对母排的杂散电感进行准确提取。相比于传统微分法，应用积分法提取母排杂散电感具有抗噪声能力强、计算结果对波形形状不敏感等优点，然而在简单的积分运算中积分时限的选取对计算结果有较大的影响。
提出一种优化的积分形式的母排杂散电感的提取方法，在传统积分法的基础上考虑杂散电阻和测量偏置两个影响因素，提高了计算的准确度。最后，基于1 200V/3 600A的IGBT双脉冲测试平台，对母排进行有限元仿真，通过仿真结果与几种不同方法计算得到的结果进行对比，验证了所提方法的有效性与准确性。
随着我国经济水平的提高，大容量电力电子装置与系统也快速发展。目前，商业化绝缘栅双极性晶体管（Insulated GateBipolar Transistor, IGBT）的电压等级可以达到6 500V，电流等级可以达到3 600A，开关时间约为0.2s。因此IGBT开关动作时较大的di/dt会在回路中杂散电感的作用下感生出较高的电压尖峰，增大了开关器件的电压应力[1,2]，同时还会导致高频噪声以及辐射污染等问题[3]。
回路中的电容电感、开关器件电感以及连接件电感对电路带来的不利影响可以通过增加缓冲电路或者引入有源门极控制（Active GateControl, AGC）[4,5]进行削弱，但由母排杂散电感引入的相关问题难以得到抑制。
具有杂散电感低、电流分布均匀等优点的叠层母排已经取代传统铜排成为电力电子装置中的主要连接件[6,7]。叠层母排能在很大程度上减小杂散电感，有效地抑制功率器件关断电压尖峰，从而省去了冗杂的阻容吸收电路，使电路结构紧凑，并减小对敏感电路的干扰[8-10]。叠层母排的杂散电感和载流分布对母排本身以及系统的电气性能影响巨大，因此需了解其杂散参数的产生原理，并较为精确地提取换流回路中的杂散电感，以便优化母排与系统的性能。
提取杂散电感的常见方法有三种：解析法[8,11]、数值计算法[12,13]以及测量法。其中解析法用于结构复杂的叠层母排时计算精度不高。数值计算法主要有有限元法、部分单元等效电路法等，都需要对母排进行准确的建模。测量法可以分为直接测量法[14,15]和间接测量法[6,16]，其中直接测量法运用阻抗分析仪等高价仪器进行直接测量，成本较高。间接测量法通过抓取开关器件的开通与关断时的瞬态波形，运用基本的电路原理与器件伏安特性得到相应杂散参数。
在用间接测量法提取母排杂散电感时，传统方法是利用双脉冲测试获取开关器件的瞬态波形，得到杂散电感电压与电流波形，运用u =Ldi/dt进行计算，其中di/dt用一段时间内电流变化的平均值i/t近似。文献[17]通过双脉冲测试获得IGBT开通关断瞬态波形，将第二次开通时vce上缺口电压的大小作为杂散电感电压的值，并利用这段时间内ic的波形计算杂散电感值。这种方法计算简单、方便，但准确度较低。
文献[18]对IGBT的关断和开通过程进行了详细的分析，指出了关断过程中反并联二极管前向恢复电压对开关管电压尖峰的影响，通过换流过程分析选取适用于提取杂散参数的时间段进行杂散电感计算。这种方法对杂散电感上的电压计算较准，但对电流波形的形状敏感度高，对计算时间段的选取要求较高，时间段选取过小时测量误差较大，时间段选取过大时i/t关于di/dt的近似关系又难以成立。
文献[19]在此基础上提出了一种积分形式的计算方法，减少了电流波形形状对计算结果的影响，但简单的积分运算对积分时限的选取有一定要求，当积分时限选取过大时会对结果产生较大的影响，积分时限选取过小又会受测量误差的影响。
本文提出一种改进型的杂散电感积分计算方法，在将传统的微分运算转化为积分运算的基础上，进一步引入杂散电阻与测量偏置两个变量，使得积分运算中积分时限的选取更加自由。最后基于IGBT双脉冲测试平台，对母排进行建模仿真，通过将仿真结果与几种不同杂散电感提取方法的计算结果进行对比，验证了改进型积分算法的有效性和准确性。
图7 双脉冲测试平台实物图
结论
本文提出了一种优化的母排杂散电感提取方法，直接使用母排的电压和电流进行计算，消除了直流母线电容、功率器件等杂散电感的影响。同时，采用积分的方式，使得计算结果对电流形状的变化不敏感，提高了抗噪能力。除此之外，在计算过程考虑了杂散电阻和测量偏置的影响，提高了计算的准确度，减小了测量误差的影响。
最后基于双脉冲测试平台，对母排进行软件建模仿真，通过仿真结果与几种不同方法计算得到的结果进行对比，验证了该方法的有效性与准确性。