Vodič za optimizaciju zalutale induktivnosti laminiranih sabirnica: Kako smanjiti skokove napona i gubitke pri prebacivanju u SiC pretvaračima

U prijelazu energetskih elektroničkih sustava s tradicionalnih silicijskih IGBT-a na uređaje od silicij-karbida (SiC), postupno se pojavio ključni problem: SiC uređaji imaju izuzetno velike brzine prebacivanja, ali lutajući induktivitet u sustavu može ozbiljno ometati rad. Skokovi napona i visoko{1}}frekventne oscilacije uzrokovane lutajućim induktivitetom ne samo da prijete sigurnosti uređaja, već i značajno umanjuju prednosti performansi SiC-a. Laminirane sabirnice visoke-gustoće temeljno su strukturno rješenje za rješavanje ovog uskog grla. Ovaj će članak objasniti zašto laminirane sabirnice mogu smanjiti induktivitet i kako ih odabrati u praktičnim primjenama.

I. Dok su SiC uređaji brži, lutajući induktivitet postaje glavna prepreka.

SiC MOSFET-ovi se prebacuju brzinama više od deset puta bržim od silikonskih uređaja, što rezultira većom gustoćom snage i učinkovitosti. Međutim, druga strana medalje je da brže prebacivanje dovodi do veće stope promjene struje (di/dt). Prema formuli V=L × di/dt, čak i lutajući induktivitet od samo nekoliko nanohenrija može generirati naponske skokove od stotina volti na uređaju. Ovi šiljci se superponiraju na napon sabirnice, a ako prekorače ograničenje podnosivog napona uređaja, pokvarit će se i pregorjeti.

Problematičnije je to što lutajući induktivitet također može rezonirati s izlaznim kapacitetom SiC uređaja, generirajući visoko-frekventne oscilacije (zvonjenje). Ova oscilacija povećava gubitke pri prebacivanju i uzrokuje zagrijavanje uređaja, a također stvara ozbiljne elektromagnetske smetnje, sprječavajući sustav da prođe EMC certifikaciju. Zbog sigurnosti, inženjeri često moraju pristati na kompromis: ili izabrati module s višim otpornim naponom (povećavaju troškove i gubitke) ili povećati otpor vrata kako bi usporili brzinu prebacivanja (izravno trošenje prednosti visoke-frekventnosti SiC-a). Pojava tro-slojnih laminiranih sabirnica ima za cilj iskorijeniti ovaj problem na strukturnoj razini.

II. Zašto laminirana sabirnica u visoko-pretvaraču snage smanjuje induktivitet?

Tradicionalne sabirnice imaju dva odvojena vodiča, s prednjom i povratnom strujom daleko jedna od druge. Magnetska polja koja stvaraju ne mogu se međusobno poništiti, što rezultira visokom induktivnošću lutanja. Temeljna ideja laminirane sabirnice u visoko-pretvaraču snage je slaganje vodiča za naprijed i natrag, tako da prolaze vrlo blizu. Smjerovi struja su suprotni, a smjerovi magnetskog polja također su suprotni; dva se magnetska polja međusobno poništavaju, smanjujući lutajući induktivitet na jednu-desetinu ili čak manje od tradicionalnih rješenja.

Iz perspektive klasifikacije proizvoda, laminirane sabirnice nisu obične vodljive sabirnice, već pasivne energetske komponente s precizno dizajniranom strukturom. Ovisno o broju slojeva, uobičajene strukture uključuju tri, četiri ili čak pet slojeva. Što je više slojeva, to je putanja struje kompaktnija i induktivitet manji. Kao ključna spojna komponenta u pretvaraču, njegova vrijednost induktiviteta izravno određuje gornju granicu cjelokupnog dinamičkog učinka pretvarača.

III. Kako odabrati laminirane sabirnice za različite scenarije primjene?

Osnovna logika za odabir je: prvo razmotrite razinu napona, zatim trenutni kapacitet i na kraju prostor za ugradnju.

Nova energetska vozila trenutno su najbrže{0}}područje primjene lameliranih sabirnica. Laminirane sabirnice za električne automobile moraju prenositi stotine ampera struje unutar vrlo malog prostora, dok istovremeno zadovoljavaju zahtjeve za-vibracije i promjene temperature za automobile. Oni obično koriste više-slojne kompozitne strukture kako bi uravnotežili nisku induktivnost i visoku pouzdanost.

Sektor željezničkog prijevoza ima izuzetno visoke sigurnosne zahtjeve. Podzemne lamelirane sabirnice moraju ispunjavati stroge standarde za-otpornost na eksploziju,-vatru-i zaštitu-od korozije, dok kontroliraju elektromagnetske smetnje u zatvorenom okruženju podzemnih tunela. Stoga se često biraju proizvodi sa zaštitnim dizajnom, kao što su visokonaponske inverterske sabirnice-otporne na eksploziju.

Za složene topologije kao što su tro-razinski pretvarači, lamelirane sabirnice za tro-razinske pretvarače moraju integrirati više pozitivnih i negativnih sabirnica unutar jedne sabirnice, što rezultira većom strukturnom složenošću i strožim zahtjevima za međuslojnu izolaciju i točnost poravnanja. Laminirane sabirnice za složene instalacije sabirnica dizajnirane su za industrijske frekvencijske pretvarače, sustave za pohranu energije i druge primjene te podržavaju prilagođene dizajne s više-granaka.