CN100466408C - 一种无感平面母线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无感平面母线，包括若干块间隔叠置的铜板和绝缘片、连接筒管，所述的绝缘片采用硬质的环氧树脂薄板，铜板和绝缘片采用螺栓紧固。所述的螺栓两端与铜板间设有绝缘垫。采用本发明的无感平面母线以后，大大减小了IPM模块正负端的关断电压尖峰，且平板母线的结构、工艺相对简单，易于加工，可以节约成本，加快产品的开发进度。使用情况表明，本发明提出的平板母线具有极低的等效电感，工作安全、可靠，且加工简单，成本较低。

Description

一种无感平面母线

技术领域

本发明涉及高频大功率电力电子变流器加工领域，尤其是一种无感平面母线。

背景技术

高频大功率化是当今电力电子技术的重要方向之一，决定了国民经济中众多重大问题解决能力，例如：1)电力系统，如无功、谐波补偿，交、直流输电，柔性电力控制和大电网安全；2)大功率储能和降耗节能，如蓄能电站、磁浮飞轮超导和超级电容储能、中高压调速和制动馈能；3)分布式和可再生能源发电并网组网，如风能、太阳能、煤层气和小水利发电等；4)电力牵引，如磁悬浮、电力机车、矿井提升和梯吊设备；5)机、舰、船全电推进和高能武器供电和控制等。国际上相关技术较为成熟，兆瓦级甚至数百兆瓦的装置获得成功应用，部分已实现了商业化生产。国内总体落后，其关键技术之一的平面母线是限制其实际应有的技术瓶颈之一。平面母线在国内应用或深入的研究都还极少报道，在国外虽已有较为成熟的应用，但结构过于复杂、制作困难、成本较高。

无感平面母线由若干块作为导电层的铜板和中间绝缘薄片间隔层叠而成，由于其具有低电感的特点，非常适合在电力电子装置中用于连接主功率模块和直流母线电容。其较低的等效电感可以大大减小开关管的关断电压尖峰，显著改善了半导体功率器件的工作环境，是高频大功率变流器得以实现的关键技术。

任何导体都有等效电感。在电力电子电路，特别是在有源电力滤波器(APF)和交流电机传动中应用较多的大功率开关电路中，当主功率开关关断时，其较高的关断速度导致较高电流变化率di/dt，较高的di/dt就会在直流侧导线的等效电感上感应出较大的电压尖峰。若电压尖峰太高，超过主功率模块的耐压值，主功率模块就会被击穿损坏，严重威胁变流器的可靠运行。所以，在电力电子装置中，除了半导体功率器件、电路拓扑和控制方法外，无感母线这一设计结构相关的技术，事实上，已成为高频大功率变流装置赖以实现的关键技术，严重限制了诸如电力机车牵引、舰船电力推进、电能质量控制和可再生能源发电等诸多重大经济领域关键问题的自主解决。

在中小功率应用场合，阻容吸收电路通常被用来抑制关断电压尖峰。从本质上来说，吸收电路是通过把线路等效电感中的磁场能量装化成吸收电容中的电场能量来对开关管两端电压进行箝位。但在大功率变流器中，由于磁场能量较大，要求的电容量也较大，但高频特性良好的大容量吸收电容难以制造。况且，阻尼电阻的功耗也较大，难以实现。

由于磁场能量大小与等效电感量大小成正比，减小等效电感量同样可以抑制关断电压尖峰。环路面积是电感量的决定性因素。在传统的采用导线或铜排的连接方式中，减小直流高频回路的长度是唯一的办法，但电路的长度受到功率模块尺寸、散热要求等多方面限制，并不能无限制地减小。所以传统的直流母线结构并不能得到较低的等效电感。

减小直流母线环路面积的另一种选择是减小正负母线间的距离。显然，如果把正负母线由原来的电缆或铜排该由铜板代替，两块铜板采用薄绝缘片隔开，并把它们紧密贴合在一起，则正负母线间的距离就会非常短，可以预想到其等效电感也会很小。这就是平面母线概念的由来。平面母线的基本结构非常简单，两块作为正负母线的铜板和中间绝缘片紧密层叠在一起，为了得到最小的直流侧连接电感，电路长度、铜板间的距离和宽度都需要合理确定，这在很大程度上是主电路的优化布局问题。主电路的合理布局既要考虑紧凑性，又要考虑散热、结构的简单和易于加工，需要进行研究。平面母线虽然结构并不复杂，但对加工工艺有很高的要求，只有少数几家专业工厂可以代工。虽然这些厂商的产品在性能上的确可以满足要求，但工艺复杂、价格昂贵，且加工周期较长。对于最终用户而言代价较高，特别是对于研发阶段的产品。现有平板母线一般采用软质绝缘片和绝缘薄膜分别作为中间绝缘层和外表面绝缘材料，这些软质材料虽然易于平板母线折弯，但难以钻孔。平板母线采用的绝缘片和绝缘薄膜是热粘合材料，该材料受热就可以和铜板粘结为一体，但材料和工艺都比较特殊和复杂。现有平板母线的筒管侧面和铜板孔洞内表面焊接在一起，这样平板母线的一体性较好，但焊接工艺难以掌握。只有少数几家专业工厂可以代工，虽然这些厂商的产品在性能上的确可以满足要求，但工艺复杂、价格昂贵，且加工周期较长。

发明内容

本文发明提供一种加工简捷、制作方便的无感平面母线。

一种无感平面母线包括由若干块间隔叠置的铜板和绝缘片、连接筒管，所述的绝缘片为硬质的环氧树脂薄板，每块铜板的两侧表面均设有绝缘片，铜板和绝缘片采用螺栓紧固。

每块铜板的两侧表面均设有绝缘片，即整个无感平面母线最外面的两块是绝缘片，中间则是若干块间隔叠置的铜板和绝缘片。

所述的螺栓两端与铜板间设有绝缘垫，绝缘垫带有环型突起。

所述的连接筒管分为上、下两部分，内有螺栓穿过，通过螺栓使上、下两部分连接筒管压紧铜板。

在无感平面母线打孔处，铜板孔径大于绝缘片的孔径，打孔断面形成环形的凹槽，凹槽内灌注绝缘硅胶。

所述的绝缘片的边缘伸出铜板边缘2～3mm，形成2～3mm深的凹槽，凹槽内灌注绝缘硅胶。

所述的绝缘片采用环氧树脂薄板，环氧树脂薄板具有较高的绝缘强度，机械强度好，且是硬质的板材，可以很容易地使用钻床进行钻孔，为了保证加工精度，尽量选择数控钻床进行钻孔。

平面母线中的各层铜板和绝缘片需要进行紧固以保证一体性，在平板母线上打通孔并采用螺栓紧固是简单可行的方法。

螺栓本身也要和铜板保持绝缘，可以利用绝缘垫以保证螺栓上部和铜板的安全绝缘距离。绝缘垫的环形突出部分还可以同时起到各层定位凸起的作用，有效地简化了定位工作。绝缘垫可以利用绝缘胶木棒通过车床切削和钻孔进行加工。

平板母线铜板断面凹槽中的灌胶可以采用黏性较大的绝缘硅胶。采用的708绝缘硅胶具有良好的绝缘性能，且黏性较大，可以方便地灌胶。

为了使IPM模块和直流母线电容的端子和对应的正负铜板保持良好的电气连接，需要采用筒管作为转接件。筒管可以利用端面作为接触面并采用压力连接的方式和铜板进行电气连接，这要求筒管具有较高的端面平整度和长度精度。利用车床对铜棒进行切削、切割和钻孔加工就可以制成内、外径和长度都符合要求的筒管。压接方法简单，易于实现。

由于这里的平面母线采用硬性的环氧树脂片作为绝缘片，这就导致平板母线无法折弯。在必须折弯的场合可以采用变通的方法：采用两块平板母线拼接，并把其中一块的外露接头进行折弯，这就可以实现折弯。

本发明应用普通的加工设备，采用简单的结构和工艺方法，完全可以制作出符合要求的平面母线，降低成本，缩短周期，对于平面母线制作工艺的研究具有重要的现实意义。采用本发明的无感平面母线以后，大大减小了IPM模块正负端的关断电压尖峰，且平板母线的结构、工艺相对简单，易于加工，可以节约成本，加快产品的开发进度。使用情况表明，本发明提出的平板母线具有极低的等效电感，工作安全、可靠，且加工简单，成本较低。

附图说明

图1是本发明无感平面母线中筒管连接结构剖面图；

图2是本发明无感平面母线中铜板和绝缘片的螺栓紧固结构剖面图；

图3是本发明无感平面母线中铜板和绝缘片凹槽内灌注绝缘胶的剖面示意图；

图4是本发明无感平面母线中折弯结构示意图；

具体实施方式

以应用在50kVA有源电力滤波器(APF)中的平面母线为例进行说明。

平面母线的几何形状是多种多样的，可以完全是平面的，也可以是带有折弯的三维结构。平面型平板母线结构、加工简单，非常适合于有限的工艺条件，且这种结构的平板母线适用于大部分应用场合。带折弯的平板母线主要应用于对结构紧凑度要求较高的场合，但其工艺较复杂。一般来说，出于简单性考虑，优先选择平面型平板母线，所以50kVA APF中采用的平板母线也是平面型的。

变流器直流侧回路的长度对于平板母线等效电感的大小有较大影响，这就要求电路的布局要紧凑。典型的逆变器器直流侧电路的主要元器件就是主功率模块和直流储能电容，在二维平面上减小电路长度的唯一方法就是尽量减小它们之间的间距。为了追求最小的间距，三块智能功率模块(IPM)紧密排列，直流母线电容尽可能靠近IPM模块，只留下了安装间隙。

根据已经确定好的布局以及主要元器件的尺寸就可以确定平板母线的基本几何尺寸。IPM模块宽90mm，三块并排，直流母线电容直径64mm，两排并联，再考虑安装间隙，所以平板母线长度为470mm。由前分析，平板母线的宽度越宽，等效电感也就越小。考虑到IPM模块和直流电容的尺寸，平板母线宽度定为200mm。铜板厚度根据载流密度决定，其值定为1.2mm。

为了保证变流器安全、可靠运行，平板母线的绝缘是需要严格保证的。由于正负铜板需要尽可能紧密地贴合在一起，这就要求中间绝缘片在保证绝缘强度的基础上尽可能的薄。铜板的外表面也需要进行绝缘处理，以保证安全。比较简单的方法是在铜板外表面覆盖和中间绝缘片材质相同的绝缘片，从而保证了平板母线外表面的绝缘。

从原理上来说，平面母线是非常简单的夹层结构，而IPM和直流母线电容各自端子导电面都在一个平面上，为了使端子和对应的铜板进行电气连接，必须使用不同长度的连接件进行连接，一般采用筒管。由于很多时候筒管需要穿过不同导电面的筒板，这就需要考虑它们间的绝缘。同时，由于需要在铜板和绝缘片中穿过筒管和螺栓，在它们上面打孔是必不可少的，而孔洞的位置精度非常关键。

平面母线对铜板上孔洞的位置精度要求非常高，普通台钻难以保证各层铜板孔洞的同心，必须采用数控冲床进行冲孔。数控冲床在机械加工厂家中被普遍采用，可以比较容易地进行加工。

绝缘片采用0.3mm厚的FR4环氧树脂薄板。FR4环氧树脂具有较高的绝缘强度，机械强度好，且是硬质的板材，可以很容易地使用钻床进行钻孔。为了保证加工精度，尽量选择数控钻床进行钻孔。专业厂家一般采用软质绝缘片和绝缘薄膜分别作为中间绝缘层和外表面绝缘材料，这些软质材料虽然易于平板母线折弯，但难以钻孔，必须使用专业刀具。

平面母线中的各层铜板和绝缘片需要进行紧固以保证一体性，在平板母线上打通孔并采用螺栓紧固是比较简单可行的方法。螺栓本身也要和铜板保持绝缘，可以利用绝缘垫以保证螺栓上部和铜板的安全绝缘距离。绝缘垫的突出部分还可以同时起到各层定位凸起的作用，有效地简化了定位工作。绝缘垫可以利用绝缘胶木棒通过车床切削和钻孔进行加工，并不复杂。

参见图2，可以看出铜板1与绝缘片6间隔叠置，为了将铜板1与绝缘片6压紧，在适当的部位打若干个孔，螺钉3穿过该孔，在螺帽与绝缘片6接触的部位设有绝缘垫5，绝缘垫5带有定位凸起4，通过定位凸起4可以使铜板1与绝缘片6定位对齐。专业厂家制作的平板母线并不需要采用螺栓进行紧固，因为它们采用的绝缘片和绝缘薄膜是热粘合材料，该材料受热就可以和铜板粘结为一体。但材料和工艺都比较特殊。

另外从图2中也可一看出本发明平面母线的每块铜板的两侧表面均设有绝缘片，即整个无感平面母线最外面的两块是绝缘片，中间则是若干块间隔叠置的铜板和绝缘片。

平板母线铜板断面凹槽中的灌胶可以采用黏性较大的绝缘硅胶。绝缘硅胶具有良好的绝缘性能，且黏性较大，可以方便灌胶。

为了使IPM模块和直流母线电容的端子和对应的正负铜板保持良好的电气连接，需要采用筒管作为转接件。筒管可以利用端面作为接触面并采用压力连接的方式和铜板进行电气连接，这要求筒管具有较高的端面平整度和长度精度。利用车床对铜棒进行切削、切割和钻孔加工就可以制成内、外径和长度都符合要求的筒管。参见图1，图中1是铜板，连接筒管分成铜板上部分2a和铜板下部分2b，螺钉3穿过连接筒管的内部，螺钉3旋紧后对筒管形成压力，使铜板上部分2a和铜板下部分2b将铜板1夹紧。压接方法简单，易于实现。

专业厂商则把筒管侧面和铜板孔洞内表面焊接在一起，这样平板母线的一体性较好，但焊接工艺难以掌握。

为了防止爬电，铜板的断面，包括四边和孔洞内表面都需要进行绝缘处理。绝缘片的边缘必须伸出铜板边缘若干长度(2～3mm)，同时铜板的断面和两侧伸出的绝缘片形成了凹槽，在该槽中灌注绝缘硅胶就可以彻低杜绝爬电的可能性。参见图3，绝缘片6边缘长出铜板1的边缘，这样就会形成由绝缘片—铜板—绝缘片围成的凹槽7，在凹槽7灌注的绝缘胶可以彻底杜绝上下铜板间的爬电。专业厂家采用外表面绝缘膜闭合以及孔洞套绝缘环的方法进行断面绝缘处理，但工艺复杂，难以在有限的加工条件下实现。

由于这里的平面母线采用硬性的环氧树脂片作为绝缘片，这就导致平板母线无法折弯。在必须折弯的场合可以采用变通的方法：采用两块平板母线拼接，并把其中一块的外露接头进行折弯，这就可以实现折弯。参见图4，当无感平面母线A和无感平面母线B需要连接时，可以将需要连接的铜板1延长伸出并折弯，延长出的铜板接触后利用螺钉3连接固定，同样的道理可以根据要求连接任意层的铜板。专业厂家的整体折弯法要求使用软性的绝缘材料，不易加工。

采用本发明的无感平面母线以后，大大减小了IPM模块正负端的关断电压尖峰，且平板母线的结构、工艺相对简单，易于加工，可以节约成本，加快产品的开发进度。使用情况表明，本发明提出的平板母线具有极低的等效电感，工作安全、可靠，且加工简单，成本较低。

Claims (5)

1、一种无感平面母线，包括若干块间隔叠置的铜板和绝缘片、连接筒管，其特征在于：所述的绝缘片为硬质的环氧树脂薄板，每块铜板的两侧表面均设有绝缘片，铜板和绝缘片采用螺栓紧固，螺栓两端与铜板间设有绝缘垫。

2、如权利要求1所述的无感平面母线，其特征在于：所述的绝缘垫带有环型突起。

3、如权利要求1所述的无感平面母线，其特征在于：所述的连接筒管分为上、下两部分，内有螺栓穿过，通过螺栓使上、下两部分连接筒管压紧铜板。

4、如权利要求1所述的无感平面母线，其特征在于：在无感平面母线打孔处，铜板孔径大于绝缘片的孔径，打孔断面形成环形的凹槽，凹槽内灌注绝缘硅胶。

5、如权利要求1所述的无感平面母线，其特征在于：所述的绝缘片的边缘伸出铜板边缘2～3mm，形成2～3mm深的凹槽，凹槽内灌注绝缘硅胶。

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