叠层母排知识.docx

源自：宁波乐士集团有限公司公司网站
本文内容有：叠层母排的优势、设计、应用

1、叠层母排的优势
随着市场对兆瓦极大功率变流器的需求与日俱增，其使用的IGBT越来越短的开关时间也导致了过高的dv/dt 和di/dt，由于IGBT的电压与di/dt的分布杂散电感成正比，传统的分立母排寄生电感量过大，在功率开关关断瞬间善省的瞬态电压与直流回路电压叠加，对功率开关和电动机绝缘构成威胁，分布电感越大，负载电流越大，功率开关的电流下降时间越短，这种危害就越严重。
低分布电感
Advantages of Laminated Busbar

分立母排

表面电流分布图

表面温度仿真图
母排大小：正负极均为300mm*24mm*2mm
模拟只连接一个电容时的温升分布电感，电容引脚距离32mm。
分布电感大小：168.17nH
叠层母排

表面电流分布图

表面温度仿真图
叠层母排大小：正负极均为300mm*56mm*1mm
模拟只连接一个电容时的温升及分布电感，电容引脚距离32mm。
分布电感大小：27.24nH

低局部放电率

Lower Partial Discharge

局部放电的成因有：高电压（大于等于直流1kV）；不同电压等级间的内绝缘和铜板间用胶粘剂热压后完全贴合，无任何气隙。出厂前进行局部放电率测试，绝缘寿命超过29年，在整个变流器使用过程中免维护。

使用传统分离式母排，受振动。盐雾和粉尘影响会严重威胁设备的安全；长期振动可能造成分离式母排连接处松动解体，海上的潮气如渗入绝缘将导致层之间击穿，粉尘累积可能导致爬电击穿。而使用叠层，母排，高强度整体粘结保证长期不松动，同等电流下可以使铜排尽量减薄，用弹性补偿振动影响，全密闭结构纺织潮气渗入，绝缘材料封装消除了爬点击穿的威胁。
高电气安全性
Higher level of electrical safety

小空间，低成本
使用叠层母排的设备能够利用较小的空间实现大电流、高电压元器件之间的链接，降低系统成本，提高设备可靠性和质量。
More compact space to reduce system costs

2、叠层母排设计

导体材料选择
Conductors
叠层母排的导体材料主要采用牌号为T2的紫铜板或1060的铝板
名称NAME
牌号CODE
密度DENSITY
导电率
Electrical
Conductivity
导热性
Thermal
Conductivity
电镀
Electroplating
紫铜Copper
T2/C11000/C1100
8.9g/cm³
98.3%IACS
388W/m-K
Tin,Nickel,Silver,Gold
铝合金Aluminum
1060/A1030
2.7g/cm³
62%IACS
234W/m-K
Tin,Nickel,Silver,Gold,
Copper
碲铜Tellurium copper
CuTep/C14500
8.9g/cm³
93%IACS
355W/m-K
Tin,Nickel,Silver,Gold
黄铜Brass
H62/C26000
8.53g/cm³
28%IACS
120W/m-K
Tin,Nickel,Silver,Gold

绝缘材料选择
Insulations

叠层母排的主要绝缘材料一般采用PET，这种材料的性价比最优。
如有特殊要求可选用其他材料。FR-4板及GPO-3板作为辅助绝缘材料使用。
材料
Material
密度Density
(g/cm³)
热导率Thermal
Conductivity
(W/kg.k)
介电常数Dielectric
Constant
(f=60Hz)
介电强度Dielectric
Strength
(kV/mm)
阻燃等级Flame
Retardanc
绝缘耐热等级
Thermal class
吸水性Hygroscopicity(%)
/24h
诺美纸NOMEX
0.8~1.1
0.143
2.7
32
94V-0
220
10
聚酰亚胺PI
1.42
0.094
2.8
173
94V-0
220
0.24
聚酯薄膜PET
1.38
0.128
3.8
120
94V-0
105
0.1~0.2
环氧玻璃布层压板FR-4
1.6
0.24
4.6
40
94V-0
130
0.15
不饱和聚酯树脂版 GPO-3
1.95
0.2
4.5
40
94V-0
155
0.2~0.4

NOMEX

优良的耐火、耐热性、良好的耐化学腐蚀性，机械性能好的，耐辐射阻燃
Flame resistance;Thermal resistance; Strong corrosion protection

聚酯薄膜PET

良好的电性能，耐化学腐蚀性，低吸湿性价格低廉
Good electrical performance; Corrosion protection;Low water absorption; Low price.

聚酰亚胺PI

优良的耐热性、良好的电性能，耐辐射阻燃
High temperature proof;
excellent electrical performance;
Radiation resistance;
Flame resistance.

FR-4

机械。电气用，中温下机械强度较高，高温下电气性能稳定性好。
For machinery, electrical equipment, high temperature mechanical strength, good electrical properties under high humidity stability.

COP-3

高温下良好的机械性能；优异的阻燃性，抗电起痕性能及防腐蚀性能。
Good mechanical properties under high temperature; excellent flame resistance,electrical resistance and anti-corrosive.

设计标准
Design reference standards

设计一款叠层母排所需的电气参数如下：
a：额定工作电压及设备使用坏境污染等级，用于计算机所需的电气间隙、爬电距离和工频耐压测试电压值。
b：额定工作电流、峰值电流大小及时间以及允许温升，这些参数决定了导体的大小及结构。
c：其他特殊要求，如用防爆设备的产品，其电气要求会比常规产品要高。参考标准：
GB4706.1-2005家用和类似用途电气的安全:通用要求（IEC60335-1：2001 SAFETY OF HOUSEHOLD AND SIMILAR ELECTRICAL APPLIANCES）
GB12668.5调速电气传动系统 第5部分：安全的要求（IEC61800-5-1：2003 Adjustable speed electrical power drive drive systems - Part 5-1:Safety requirements - Electrical,thermal and energy）
GB3836.4-200 1爆炸性环境 第4部分：由本质安全性“i”保护的设备（IEC 60079-11-2010 Explosive atmospheres - Part 11:Equipment protection by intrinsic safety “i”）

设计软件
Design software

仿真分析软件
Simulation Softwares

利用ANSYS及ANSOFT进行产品温升、电磁仿真，优化产品结构，以最经济最合理的结构完成产品设计

设计计算
Design formula
最小截面经验计算公式 Empirical formula for minimum cross-sectional area:
A=0.203I*[1+0.1(N-1)]
A:最小截面面积大小，单位mm2
I:峰值电流大小，单位A
N:叠层母排层数

电感 Inductance
a:铜排的电感计算公式（适用于直流和低频交流）：
Inductance formula for single bar ( DC&low-freq AC)

b:叠层母排的电感计算公式（适用于直流和低频交流）：
Inductance formula for laminated bus bar(DC&low-freq AC)

L:叠层母排电感，单位nH
l：铜排长度，单位mm
w：铜排宽度，单位mm
d：上下铜排质检的中心距离，单位mm
电容 Capacitance

C:叠层母排电容，单位pF
µ：绝缘材料的相对介电常数
l：铜排长度，单位mm
w：铜排宽度，单位mm
d：上下铜排质检的中心距离，单位mm数
3、叠层母排应用
叠层母排一般用于大功率电源柜以及各种大功率变流装置中。一般采用铜板或铝板做导体，导体之间采用MYLAR绝缘膜进行隔离绝缘。导体可以结合一些紧固件、连接器、线缆实现总路与各支路之间以及大功率元器件之间的打电流的传递。与传统的、笨重的、费时和麻烦的分立母线和线缆方法相比，使用叠层母排可以提供现代的、易于设计、安装快速和结构清晰的配电的系统。叠层母排由于低分布电动汽车、轨道交通牵引设备、变频器、逆变频、有源滤波装置、无功补偿装置、大型网络设备、大中型计算机、电力开关系统、焊接系统、军用设备系统等设备上。

变频器
Inverter

有源滤波设备
APF equipment

变流装置
Convertor

光伏逆变器
Solar Inverter

轨道交通变流器
Rail Transit converter

无功补偿设备
SVG equipment

电梯控制器
Elevator Inverter

大型计算机
Super computer

通讯基站设备
Cell base stations

风电变流器
Windmill Inverter