Laminated BusBars Stray Inductance Optimization Guide: Kako zmanjšati napetostne konice in stikalne izgube v pretvornikih SiC

Pri prehodu močnostnih elektronskih sistemov s tradicionalnih silicijevih IGBT na naprave iz silicijevega karbida (SiC) se je postopoma pojavila ključna težava: naprave SiC imajo izjemno visoke preklopne hitrosti, vendar lahko blodeča induktivnost v sistemu resno ovira delovanje. Napetostni skoki in visoko{1}}frekvenčna nihanja, ki jih povzroča blodeča induktivnost, ne le ogrožajo varnosti naprave, ampak tudi znatno zmanjšujejo prednosti delovanja SiC-ja. Laminirane zbiralke z visoko-gostoto so osrednja strukturna rešitev za reševanje tega ozkega grla. Ta članek bo pojasnil, zakaj lahko laminirane zbiralke zmanjšajo induktivnost in kako jih izbrati v praktičnih aplikacijah.

I. Medtem ko so naprave SiC hitrejše, postane velika ovira blodeča induktivnost.

SiC MOSFET-ji preklopijo s hitrostmi, ki so več kot desetkrat hitrejše od silicijevih naprav, kar ima za posledico večjo gostoto moči in učinkovitost. Vendar pa je druga plat medalje ta, da hitrejše preklapljanje vodi do višje stopnje spremembe toka (di/dt). V skladu s formulo V=L × di/dt lahko celo blodeča induktivnost le nekaj nanohenrijev ustvari napetostne konice več sto voltov po vsej napravi. Ti konici se prekrivajo z napetostjo vodila in če presežejo mejo vzdržljive napetosti naprave, se pokvarijo in izgorejo.

Bolj problematično je, da lahko blodeča induktivnost resonira tudi z izhodno kapacitivnostjo naprav iz SiC, kar ustvarja visoko-frekvenčna nihanja (zvonjenje). To nihanje poveča izgube preklapljanja in povzroči segrevanje naprave ter povzroči močne elektromagnetne motnje, ki preprečujejo sistemu, da bi opravil certifikat EMC. Zaradi varnosti morajo inženirji pogosto sklepati kompromise: ali izbrati module z višjo vzdržljivo napetostjo (povečanje stroškov in izgub) ali povečati upornost vrat, da upočasnijo hitrost preklopa (neposredno zapravijo visoko-frekvenčno prednost SiC-ja). Namen pojava tri-slojnih laminiranih vodil je ta problem odpraviti na strukturni ravni.

II. Zakaj laminirana zbiralka v visoko-pretvorniku moči zmanjša induktivnost?

Tradicionalne zbiralke imajo dva ločena vodnika, pri čemer sta sprednji in povratni tok daleč narazen. Magnetna polja, ki jih ustvarjajo, se ne morejo izničiti, kar ima za posledico visoko razpršeno induktivnost. Osrednja zamisel laminirane zbiralke v visoko-pretvorniku moči je zložiti vodnike naprej in nazaj, tako da tečejo zelo blizu skupaj. Smeri tokov so nasprotne, prav tako so nasprotne smeri magnetnega polja; obe magnetni polji se medsebojno izničita in zmanjšata blodečo induktivnost na eno-desetino ali celo manj tradicionalnih rešitev.

Z vidika klasifikacije izdelkov laminirane zbiralke niso navadne prevodne zbiralke, temveč pasivne napajalne komponente z natančno oblikovano strukturo. Glede na število plasti običajne strukture vključujejo tri, štiri ali celo pet plasti. Več kot je plasti, bolj kompaktna je pot toka in manjša je induktivnost. Kot ključna povezovalna komponenta v pretvorniku njegova vrednost induktivnosti neposredno določa zgornjo mejo celotne dinamične zmogljivosti pretvornika.

III. Kako izbrati laminirane vodila za različne scenarije uporabe?

Osnovna logika pri izbiri je: najprej upoštevajte napetostni nivo, nato trenutno zmogljivost in na koncu prostor za namestitev.

Vozila z novo energijo so trenutno najhitreje-rastoče področje uporabe lameliranih avtobusov. Laminirane vodilne vodila za električne avtomobile morajo prenesti na stotine amperov toka v zelo majhnem prostoru, hkrati pa izpolnjujejo zahteve glede vibracij in temperaturnih ciklov-za avtomobilski razred. Običajno uporabljajo več-plastne kompozitne strukture za uravnoteženje nizke induktivnosti in visoke zanesljivosti.

Sektor železniškega tranzita ima izjemno visoke varnostne zahteve. Lambinirane avtobusne palice podzemne železnice morajo izpolnjevati stroge standarde za-odpornost proti eksploziji, -ognjevarnost-in korozijo-odpornost, hkrati pa nadzorovati elektromagnetne motnje v zaprtem okolju podzemnih tunelov. Zato se pogosto izberejo izdelki z zaščitno zasnovo, kot so visokonapetostne protieksplozijsko-inverterske zbiralke.

Za kompleksne topologije, kot so tri-nivojski pretvorniki, morajo lamelirane vodila za tri-nivojske pretvornike integrirati več pozitivnih in negativnih vodil znotraj ene zbiralke, kar ima za posledico višjo strukturno kompleksnost in strožje zahteve za vmesno izolacijo in natančnost poravnave. Laminirane zbiralke za kompleksne instalacije zbiralk so zasnovane za industrijske frekvenčne pretvornike, sisteme za shranjevanje energije in druge aplikacije ter podpirajo prilagojene zasnove več-vej.