Busbar Design Consideration

Features of Good Busbar

呼應上一章節提到的 Power Busbar 重要性，一個設計良好的 Busbar 會有那些特點呢？

• 導電與絕緣設計良好

  • Busbar 的主要功能是將電流有效地傳輸到系統的各個部分。因此，選擇高導電性的材料以及適當的母排尺寸降低阻抗是關鍵的。銅和鋁是常見的母排材料，因為它們具有良好的導電性能。

  • 通常母排上各相的電壓差距很大，必須設計適當的絕緣片來避免跳火。

• Lower stray inductance

  • 低漏感可以減少電路的切換突波，並能保護 IGBT 或是 MOS 的切換元件。

• Increase capacitance

  • 增加兩相電力線間的電容能幫助線路加強抗擾能力。

• EMC improvements

  • 降低漏感與增加電容性都能有效的強化EMC能力。

  • 例如降低漏感直接減少突波電壓，所以能有效降低EMI。

  • 設計良好的Busbar也能使輻射降低，減少干擾周邊電路的機會。

• 穩健的組裝與結構設計

  • 設計良好的機構件能降低成本。

  • 避免複雜的組裝設計能減少產品出錯機會，並使後續的維修簡易。

  • 考量防腐蝕、抗震的設計。

• 考量周全的均流設計

  • 電子組件的均流設計能避免某元件過流或過壓造成失效問題。

  • 電流做有效的控管，使 Busbar 上的電流分布均勻且能平均地流入各元件。

• 不過熱的溫升設計

  • 大電流通過母排時會產生熱量，因此母排必須要考慮溫升的設計。適當的冷卻系統設計（例如風扇或冷卻器）能防止母排過熱並降低母排的材料使用。

  • 避免電流或熱源過度集中在某些區域是必要的準則。

圖1-1

如果能針對上述的特點多做考量，我們就能適當的設計優化的 Power Busbar。

Design Consideration

當考量整體系統的效能，除了Busbar的基本電氣與機構要顧慮，更需要考量效能做整體詳細的設計。

其中有三個特別重要：

• 減少 IGBT 與 DC Capacitor 之間的距離，考量 DC Capacitor 的外型和特性，要對其做取捨設計，挑出最佳的電容元件與擺設位置。

圖1-2

• 適當的選擇切換元件。以 IGBT 來說，可能有如圖1-3的兩種封裝。設計時就需要考量電容與 IGBT 以及內部組件的擺放位置，決定適當的封裝使用。因為切換元件的接點會決定 Busbar 設計的方式，不合適的選用容易增加 Busbar 概念設計時的困難。

圖1-3

• 恰當的電容選用非常重要，首先需要考量機體尺寸，選擇適當大小、低漏感、低內阻電容，再來需要高耐漣波電流能力。例如大廠牌的電容製造商如 TDK..等，都會提供完整的 Datasheet 給使用者作初步設計挑選。

圖1-4

Copper Conductor Inductance Comparison

Busbar 的功用是傳輸電力，在設計上具有非常高的自由度，但並不是只要能導電就好，結構的設計對寄生電感有著顯著的影響。那我們要怎麼做初步的形狀選擇呢？減少迴路面積是一個基本原則，如圖1-5所示，建議用平板的方式做基礎設計，如果只為了傳導電力就直接用兩條接線，會造成後面連續的設計問題。

圖1-5

如圖1-6，筆者做了三種樣式的比較。分別是兩根銅接線、左右平行的銅條、以及上下分開的銅條。這邊先直接給讀者結論，設計銅排母線的時候，建議使用第三種。主因是因為總電感是部分電感的加總再減去互感，而第三種銅牌的漏感會因為互感的抵銷使整體的漏感量最低，所以筆者認為是母線設計的第一樣式選擇。

圖1-6

上下平行樣式的銅排，兩者之間的高度越低越好、銅排的寬度越寬越佳，這裡指的越好越佳都是針對電性漏感的考量。但實際設計上其實也需要考慮機構設計，例如如果機構佈局上的需要，我們要在銅排之間穿洞做走線，設計的時候就要特別考量，如圖1-5。不良好的穿口設計會使母排的漏感大幅上升。

也要提醒讀者，母排的漏感因為通常不是均勻的尺寸，所以幾乎無法直接計算，會需要場模擬軟體來做評估設計，以我熟知的軟體來說，會建議使用 Ansys Q3D 或是 Maxwell 來做漏感的設計量化。

圖1-7

Busbar Realization

實際製作產品時，在大電流的應用中，常常會選用銅排來做設計，近幾年因為鋁的價格優勢，也不少設計者選用鋁排來降低成本。而小電流的應用中，PCB 是常見的實現手段。

Rogers 是世界知名的層疊母排供應商。利用特殊的製程和絕緣工藝技術，Power Busbar 可以客製化設計，不僅一體成型且具有藝術美感、更能縮小體積、較小的電容絕緣開口、擁有較低的漏感與功率密度、極佳整合元件的能力。這種層疊結構，在大型功率組件的優勢明顯，是很值得考慮的產品，除了 Rogers ，目前市面上也有其他供應商提供類似的製程給客戶選擇。

圖1-8

如果開發者有一些好的概念想法，也是有機會用傳統設計來接近這類層疊版的設計。但無論如何，都建議勿用想法取代模擬設計，務必打樣前都做過模擬的量化評估。當嘗試過這種作法後，相信能為後續的設計帶來一定的品質優化。