CN111277150A - 低寄生电感且适用于器件并联的叠层母排结构 - Google Patents

低寄生电感且适用于器件并联的叠层母排结构 Download PDF

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    • H01R25/16—Rails or bus-bars provided with a plurality of discrete connecting locations for counterparts

Abstract

本发明实施方式提供一种低寄生电感且适用于器件并联的叠层母排结构，属于大功率电器技术领域。所述叠层母排结构包括：交流输出导体层，用于连接至交流电端；正母线导体层，与交流输出导体层间隔设置；负母线导体层，与正母线导体层间隔设置；地导体层，设置于母排结构的底层，用于接地；上桥臂开关器件，贯穿设置于交流输出导体层、正母线导体层以及负母线导体层，交流输出导体层通过上桥臂开关器件与正母线导体层连接；以及下桥臂开关器件，贯穿设置于交流输出导体层、正母线导体层以及负母线导体层，交流输出导体层通过下桥臂开关器件与负母线导体层连接；其中，交流输出导体层、正母线导体层、负母线导体层之间均设置有绝缘层。

Description

低寄生电感且适用于器件并联的叠层母排结构
技术领域
本发明涉及大功率电器技术领域，具体地涉及一种低寄生电感且适用于器件并联的叠层母排结构。
背景技术
大功率电力电子装置中，半导体开关器件通过母排与母线电容和交流输出端连接。传统母排结构寄生电感大，在开关器件关断瞬间产生电压过冲，对开关器件的安全运行构成威胁，或需要对开关器件耐压进行降额使用，降低了其耐压的有效利用率。
为了提高大功率电力电子装置的功率输出能力，通常需要多个半导体开关器件并联使用，并联的开关器件通过母排进行连接，传统的母排结构由于没有对各支路的寄生电感进行控制，导致并联的开关器件动态电流分配不均，为了防止并联器件中载荷较大的器件过热损坏，需要对开关器件的电流能力降额使用，降低了其电流能力的有效利用率。
发明内容
本发明实施方式的目的是提供一种低寄生电感且适用于器件并联的叠层母排结构，该叠层母排结构能够防止降低母排结构中各个支路的寄生电感，从而提高电流的有效利用率。
为了实现上述目的，本发明实施方式提供一种低寄生电感且适用于器件并联的叠层母排结构，所述叠层母排结构包括：
交流输出导体层，用于连接至交流电端；
正母线导体层，与所述交流输出导体层间隔设置；
负母线导体层，与所述正母线导体层间隔设置；
地导体层，设置于所述母排结构的底层，用于接地；
上桥臂开关器件，贯穿设置于所述交流输出导体层、所述正母线导体层以及所述负母线导体层，所述交流输出导体层通过所述上桥臂开关器件与所述正母线导体层连接；以及
下桥臂开关器件，贯穿设置于所述交流输出导体层、所述正母线导体层以及所述负母线导体层，所述交流输出导体层通过所述下桥臂开关器件与所述负母线导体层连接；
其中，所述交流输出导体层、所述正母线导体层、所述负母线导体层之间均设置有绝缘层。
可选地，所述交流输出导体层包括第一交流输出导体层、第二交流输出导体层以及第三交流输出导体层；
所述正母线导体层包括第一正母线导体层和第二正母线导体层；
所述负母线导体层包括第一负母线导体层和所述第二负母线导体层；
所述第一交流输出导体层位于所述叠层母排结构的顶层；
所述第一正母线导体层设置于所述第一交流输出导体层下且与所述第一交流输出导体层通过所述换流回路连接；
所述第一负母线导体层设置于所述第一正母线导体层下；
所述第二交流输出导体层设置于所述第一负母线导体层下；
所述第三交流输出导体层设置于所述第二交流输出导体层下；
所述第二正母线导体层设置于所述第三交流输出导体层下；
所述第二负母线导体层设置于所述第二正母线导体层下；
所述地导体层设置于所述第二负母线导体层下；
所述上桥臂开关器件的漏极与所述第一正母线导体层、所述第二正母线导体层连接，所述上桥臂开关器件的源极与所述第一交流输出导体层、所述第二交流输出导体层、所述第三交流输出导体层连接；
所述下桥臂开关器件的漏极与所述第一交流输出导体层、所述第二交流输出导体层、所述第三交流输出导体层连接，所述下桥臂开关器件的源极与所述第一负母线导体层、所述第二负母线导体层连接；
其中，所述第一交流输出导体层、所述第一正母线导体层、所述第一负母线导体层、所述第二交流输出导体层、所述第三交流输出导体层、所述第二正母线导体层、所述第二负母线导体层以及所述地导体层之间均设置所述绝缘层。
可选地，所述交流输出导体层、所述正母线导体层、所述负母线导体层、所述地导体层以及所述绝缘层的厚度为0.07mm。
可选地，所述上桥臂开关器件与所述第一负母线导体层、所述第二负母线导体层通过绝缘材料绝缘。
可选地，所述下桥臂开关器件与所述第一正母线导体层、所述第二正母线导体层通过绝缘材料绝缘。
可选地，所述上桥臂开关器件包括至少六个功率管，所述第一交流输出导体层、所述第二交流输出导体层和所述第三交流输出导体层分别通过至少两个功率管与所述第一正母线导体层、第二正母线导体层连接。
可选地，所述下桥臂开关器件包括至少六个功率管，所述第一交流输出导体层、所述第二交流输出导体层和所述第三交流输出导体层分别通过至少两个功率管与所述第一负母线导体层、所述第二负母线导体层连接。
可选地，所述第一交流输出导体层与交流电端的第一相连接，所述第二交流输出导体层与所述交流电端的第二相连接，所述第三交流输出导体层与所述交流电端的第三相连接。
通过上述技术方案，本发明提供的低寄生电感且适用于器件并联的叠层母排结构通过采用交流输出导体层、正母线导体层以及负母线导体层间隔设置的方式，降低了器件并联时支路的寄生电感，提高了电路对电流的利用率。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
图1是根据本发明的一个实施方式的低寄生电感且适用于器件并联的叠层母排结构的截面图；
图2是根据本发明的一个实施方式的低寄生电感且适用于器件并联的叠层母排结构的三维图；
图3是根据本发明的一个实施方式的低寄生电感且适用于器件并联的叠层母排结构的设计示意图；以及
图4是根据本发明的一个实施方式的低寄生电感且适用于器件并联的叠层母排结构的电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施方式的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施方式，并不用于限制本发明实施方式。
在本发明实施方式中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。
另外，若本发明实施方式中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种低寄生电感且适用于器件并联的叠层母排结构。该叠层母排结构可以包括交流输出导体层、正母线导体层、负母线导体层、地导体层、上桥臂开关器件、下桥臂开关器件以及绝缘层。其中，交流输出导电层用于连接至交流电端。交流输出导体层与正母线导体层间隔设置。负母线导体层与正母线导体层间隔设置。地导体层设置于该母排结构的底层，用于接地。交流输出导体层、正母线导体层、负母线导体层之间均可以设置有绝缘层。上桥臂开关器件和下桥臂开关器件可以贯穿设置于交流输出导体层、正母线导体层、负母线导体层以及地导体层。交流输出导体层可以通过上桥臂开关器件与正母线导体层连接，通过下桥臂开关器件与负母线导体层连接。
在该实施方式中，交流输出导体层、正母线导体层、负母线导体层均可以为多层。
在本发明的一个示例中，该交流输出导体层可以包括第一交流输出导体层1、第二交流输出导体层4以及第三交流输出导体层5。正母线导体层可以包括第一正母线导体层2和第二正母线导体层6。负母线导体层可以包括第一负母线导体层3和第二负母线导体层7。该叠层母排结构可以进一步包括上桥臂开关器件9和下桥臂开关器件10。其中，换流回路11可以为包括上桥臂开关器件9和下桥臂开关器件10的电路。具体地，该层叠母排结构的截面图可以如图1所示，三维图可以如图2所示，设计示意图可以如图3所示。
第一交流输出导体层1可以位于该叠层母排结构的顶层。第一正母线导体层2可以设置于第一交流输出导体层1下。第一负母线导体层3可以设置于第一正母线导体层1下。第二交流输出导体层4可以设置于第一负母线导体层3下。第三交流输出导体层5可以设置于第二交流输出导体层4下。第二正母线导体层6可以设置于第三交流输出导体层5下。第二负母线导体层7可以设置于第二正母线导体层6下。地导体层8可以设置于第二负母线导体层7下。
上桥臂开关器件9的漏极可以与第一正母线导体层2、第二正母线导体层6连接，上桥臂开关器件9的源极可以与第一交流输出导体层1、第二交流输出导体层4、第三交流输出导体层5连接。
下桥臂开关器件10的漏极可以与第一交流输出导体层1、第二交流输出导体层4、第三交流输出导体层5连接，下桥臂开关器件10的源极可以与第一负母线导体层3、第二负母线导体层7连接。
其中，第一交流输出导体层1、第一正母线导体层2、第一负母线导体层3、第二交流输出导体层4、第三交流输出导体层5、第二正母线导体层6、第二负母线导体层7以及地导体层8之间均可以设置绝缘层12。
在该示例中，通过如图1中所示出的母排结构，相对于传统的母排而言，将同一电位的导电层分为多层，将单个回路分解为多个回路并联，从而减小了寄生电感(实验证明可以由8.8nH减小至8.3nH，减小约5％)。经过对比实验证明，该母排结构可以以更薄的铜片来实现更大的载流能力，例如图1中的交流输出导体层、正母线导体层、负母线导体层、地导体层以及绝缘层的厚度均可以为0.07mm。在使用印刷电路板技术生产时，也可以避免使用超厚铜工艺，从而减少了器件的生产成本。此外，由于图1中所示出的结构采用的是层相邻布置的方式，这样减少了换流回路11包围的面积，从而进一步减小了寄生电感，经实验证明，该结构可以将寄生电感由原本的8.3nH减小至7nH，减小约15％。同时，由于该叠层母排结构大大减小了并联器件与母线电容的连接路径，有效地均衡了各个并联期间的电流。经过实验证明，该叠层母排结构可以使得并联期间的动态不均流度减小至6％以下。
在该示例中，上桥臂开关器件9与第一负母线导体层3、第二负母线导体层7可以通过绝缘材料绝缘。下桥臂开关器件10与第一正母线导体层2、第二正母线导体层6可以通过绝缘材料绝缘。
在本发明的一个实施方式中，该上桥臂开关器件9可以包括至少六个功率管，第一交流输出导体层1、第二交流输出导体层4和第三交流输出导体层5可以分别通过至少两个功率管与第一正母线导体层2、第二正母线导体层6连接。下桥臂开关器件10可以包括至少六个功率管，第一交流输出导体层1、第二交流输出导体层4和第三交流输出导体层5分别通过至少两个功率管与第一负母线导体层3、第二负母线导体层7连接。在本发明的一个优选示例中，如图4所示，该上桥臂开关器件9可以包括六个功率管(Q1、Q2、Q5、Q6、Q9、Q10)。第一交流输出导电层1可以与交流电端的第一相U连接，第二交流输出导电层4可以与交流电端的第二相V连接，第三交流输出导电层5可以与交流电端的第三相W连接。第一交流输出导电层1可以通过功率管Q1和Q2与第一正母线导电层2和第二正母线导电层6(BUS+)连接，第二交流输出导电层4可以通过功率管Q5和Q6与第一正母线导电层2和第二正母线导电层6(BUS+)连接，第三交流输出导电层5可以通过功率管Q9和Q10与第一正母线导电层2和第二正母线导电层6(BUS+)连接。第一交流输出导电层1可以通过功率管Q3和Q4与第一负母线导电层3和第二负母线导电层7(BUS-)连接，第二交流输出导电层4可以通过功率管Q7和Q8与第一负母线导电层3和第二负母线导电层7(BUS-)连接，第三交流输出导电层5可以通过功率管Q11和Q12与第一负母线导电层3和第二负母线导电层7(BUS-)连接。
通过上述技术方案，本发明提供的低寄生电感且适用于器件并联的叠层母排结构通过采用交流输出导体层、正母线导体层以及负母线导体层间隔设置的方式，降低了器件并联时支路的寄生电感，提高了电路对电流的利用率。
以上结合附图详细描述了本发明例的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明实施方式的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (8)

1.一种低寄生电感且适用于器件并联的叠层母排结构，其特征在于，所述叠层母排结构包括：
交流输出导体层，用于连接至交流电端；
正母线导体层，与所述交流输出导体层间隔设置；
负母线导体层，与所述正母线导体层间隔设置；
地导体层，设置于所述母排结构的底层，用于接地；
上桥臂开关器件，贯穿设置于所述交流输出导体层、所述正母线导体层以及所述负母线导体层，所述交流输出导体层通过所述上桥臂开关器件与所述正母线导体层连接；以及
下桥臂开关器件，贯穿设置于所述交流输出导体层、所述正母线导体层以及所述负母线导体层，所述交流输出导体层通过所述下桥臂开关器件与所述负母线导体层连接；
其中，所述交流输出导体层、所述正母线导体层、所述负母线导体层之间均设置有绝缘层。
2.根据权利要求1所述的叠层母排结构，其特征在于，所述交流输出导体层包括第一交流输出导体层、第二交流输出导体层以及第三交流输出导体层；
所述正母线导体层包括第一正母线导体层和第二正母线导体层；
所述负母线导体层包括第一负母线导体层和所述第二负母线导体层；
所述第一交流输出导体层位于所述叠层母排结构的顶层；
所述第一正母线导体层设置于所述第一交流输出导体层下且与所述第一交流输出导体层通过所述换流回路连接；
所述第一负母线导体层设置于所述第一正母线导体层下；
所述第二交流输出导体层设置于所述第一负母线导体层下；
所述第三交流输出导体层设置于所述第二交流输出导体层下；
所述第二正母线导体层设置于所述第三交流输出导体层下；
所述第二负母线导体层设置于所述第二正母线导体层下；
所述地导体层设置于所述第二负母线导体层下；
所述上桥臂开关器件的漏极与所述第一正母线导体层、所述第二正母线导体层连接，所述上桥臂开关器件的源极与所述第一交流输出导体层、所述第二交流输出导体层、所述第三交流输出导体层连接；
所述下桥臂开关器件的漏极与所述第一交流输出导体层、所述第二交流输出导体层、所述第三交流输出导体层连接，所述下桥臂开关器件的源极与所述第一负母线导体层、所述第二负母线导体层连接；
其中，所述第一交流输出导体层、所述第一正母线导体层、所述第一负母线导体层、所述第二交流输出导体层、所述第三交流输出导体层、所述第二正母线导体层、所述第二负母线导体层以及所述地导体层之间均设置所述绝缘层。
3.根据权利要求1所述的叠层母排结构，其特征在于，所述交流输出导体层、所述正母线导体层、所述负母线导体层、所述地导体层以及所述绝缘层的厚度为0.07mm。
4.根据权利要求2所述的叠层母排结构，其特征在于，所述上桥臂开关器件与所述第一负母线导体层、所述第二负母线导体层通过绝缘材料绝缘。
5.根据权利要求2所述的叠层母排结构，其特征在于，所述下桥臂开关器件与所述第一正母线导体层、所述第二正母线导体层通过绝缘材料绝缘。
6.根据权利要求2所述的叠层母排结构，其特征在于，所述上桥臂开关器件包括至少六个功率管，所述第一交流输出导体层、所述第二交流输出导体层和所述第三交流输出导体层分别通过至少两个功率管与所述第一正母线导体层、第二正母线导体层连接。
7.根据权利要求2所述的叠层母排结构，其特征在于，所述下桥臂开关器件包括至少六个功率管，所述第一交流输出导体层、所述第二交流输出导体层和所述第三交流输出导体层分别通过至少两个功率管与所述第一负母线导体层、所述第二负母线导体层连接。
8.根据权利要求2所述的叠层母排结构，其特征在于，所述第一交流输出导体层与交流电端的第一相连接，所述第二交流输出导体层与所述交流电端的第二相连接，所述第三交流输出导体层与所述交流电端的第三相连接。
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