Principiile de proiectare ale barelor colectoare stivuite cu inductanță redusă-parazită-de înaltă-densitate și analiza aplicării acestora în sistemele electronice de putere-înaltă

 

Impulsat de progresele înregistrate în vehiculele cu energie noi, sistemele de stocare a energiei, transportul feroviar, automatizarea industrială și tehnologiile rețelelor inteligente, echipamentele electronice de mare{0}}putere evoluează spre tensiuni mai mari, frecvențe mai mari și densități de putere mai mari. În acest proces, dispozitivele semiconductoare cu bandă interzisă de -generație largă--exemplificate prin carbură de siliciu (SiC)-înlocuiesc treptat IGBT-urile tradiționale pe bază de siliciu-, servind ca o cale tehnologică cheie pentru îmbunătățirea eficienței sistemului și reducerea dimensiunii echipamentului.

 

În comparație cu materialele tradiționale din siliciu, semiconductorii SiC oferă o bandă interzisă mai mare, un câmp electric critic mai mare, pierderi de conducție mai mici și performanță superioară la temperatură înaltă-. Aceste avantaje permit MOSFET-urilor SiC să funcționeze la frecvențe de comutare mai mari, permițând în același timp reducerea dimensiunilor componentelor magnetice și a structurilor de management termic, crescând astfel densitatea generală de putere.

 

Cu toate acestea, capacitățile de comutare de-înaltă viteză introduc și noi provocări de inginerie. Pe măsură ce viteza de comutare a dispozitivelor de putere crește, ratele de schimbare a curentului (di/dt) și tensiunea (dv/dt) cresc semnificativ. În aceste condiții, parametrii paraziți inevitabili din bucla de putere-în special inductanța parazită-exercează un impact substanțial asupra performanței sistemului.

 

În timpul comutării cu viteză mare-, inductanța parazită generează vârfuri tranzitorii de tensiune în conformitate cu relația:

 

V=L × di/dt

 

Când curentul se schimbă rapid, chiar și o cantitate mică de inductanță parazită poate produce depășiri de tensiune de zeci de volți sau mai mult. Aceste tensiuni tranzitorii nu numai că măresc tensiunea pe dispozitivele de alimentare, dar pot, de asemenea, să împingă dispozitivele dincolo de zona lor de operare sigură (SOA), compromițând astfel fiabilitatea sistemului.

 

Prin urmare, în sistemele moderne de-conversie de putere mare, minimizarea inductanței parazite în bucla de putere a devenit un obiectiv critic de proiectare pentru creșterea eficienței, îmbunătățirea performanței interferenței electromagnetice (EMI) și asigurarea funcționării în siguranță a dispozitivelor semiconductoare.

 

 

 

Inductanța parazită nu este un parametru generat de o singură componentă discretă; mai degrabă, este rezultatul geometriei colective a întregii bucle de curent. Acesta apare în primul rând din inductanța conductorilor înșiși, precum și din bornele de conectare, cablurile, urmele PCB, ambalajul interior al modulului de putere și structurile de interconectare a barelor colectoare.

 

În sistemele de alimentare tradiționale care utilizează bare standard din cupru sau cablaje, există adesea o separare spațială semnificativă între căile de curent pozitive și negative, ceea ce mărește aria buclei de curent. Conform principiilor electromagnetismului, cu cât aria buclei este mai mare, cu atât domeniul magnetic generat este mai mare și inductanța parazită corespunzătoare este mai mare.

 

În sistemele electronice de putere-înaltă, curentul nu curge pur și simplu pe lungimea unui conductor; în schimb, creează o distribuție complexă a câmpului electromagnetic în spațiul înconjurător. Prin urmare, cheia reducerii inductanței parazite nu constă doar în creșterea grosimii barei de cupru, ci în optimizarea traseului curentului-aducerea buclelor circuitelor pozitive și negative cât mai aproape una dintre ele și minimizarea regiunilor în care este stocată energia câmpului magnetic.

 

Acesta este motivul principal pentru care barele colectoare laminate cu densitate mare-sînt utilizate atât de larg.

 

 

O bară colectoare laminată este o structură de-performanță ridicată de interconectare a puterii formată prin combinarea mai multor straturi de material conductiv cu medii izolatoare. În mod obișnuit, prezintă materiale foarte conductoare-cum ar fi cuprul sau aluminiul-ca straturi conducătoare, separate de materiale izolatoare care oferă rezistență dielectrică și stabilitate mecanică excelente; întregul ansamblu este lipit într-o structură unificată prin procese precum presarea la cald, lipirea cu adeziv sau laminarea.

 

În comparație cu barele colectoare tradiționale de cupru cu un singur strat-, cel mai mare avantaj al structurii laminate este capacitatea sa de a obține un grad ridicat de suprapunere între căile de curent pozitiv și negativ.

 

Când curenții care curg în direcții opuse trec prin conductori adiacente, se aplică principiul anulării câmpului electromagnetic: câmpurile magnetice generate de cei doi curenți se opun unul altuia, reducând efectiv fluxul magnetic total produs de bucla de curent și scăzând astfel inductanța echivalentă a sistemului.

 

În consecință, o bară laminată este mai mult decât o simplă componentă de conexiune mecanică; este o structură electromagnetică critică care influențează performanța dinamică a sistemelor electronice de putere.

 

În invertoarele de-putere mare, convertoarele de stocare a energiei și echipamentele industriale de alimentare cu energie, designul cu-inductanță scăzută a devenit o măsură cheie pentru optimizarea structurilor de bare colectoare. De exemplu, anumite aplicații de comutare cu viteză mare-necesită bare colectoare laminate special concepute-cum ar fi cele utilizate în convertizoarele de frecvență variabilă (VFD)-pentru a îndeplini cerințele sistemului de răspuns rapid și funcționare cu pierderi reduse-.

 

 

 

Pe măsură ce nivelul de integrare al echipamentelor electronice crește, barele colectoare laminate s-au extins dincolo de sectoarele tradiționale de alimentare cu energie industrială, în diverse domenii de aplicații de mare{0}}putere.

 

De exemplu, sistemele de alimentare din servere, echipamente de telecomunicații și centre de date necesită structuri de distribuție a energiei foarte fiabile pentru a minimiza pierderile de transmisie. În consecință, barele colectoare laminate sunt utilizate în echipamentele de calcul de-densitate mare-cum ar fi plăcile de circuite ale supercomputerelor sau planurile de bază-pentru a asigura o livrare stabilă de energie pentru platformele de calcul-de mare viteză.

 

În domeniul infrastructurii de telecomunicații, echipamentele de-stație de bază de mare putere necesită, de asemenea, soluții compacte și eficiente de conectare la energie; barele colectoare laminate îndeplinesc efectiv constrângerile privind spațiul și nevoia de funcționare continuă în distribuția de energie a stației de bază celulare.

 

În plus, în sistemele de putere-la scară largă, barele colectoare laminate sunt utilizate în arhitecturi de putere modulare-cum ar fi înBara de distribuție a unității de distribuție a energiei (PDU).structuri-pentru a facilita-conexiunile cu pierderi reduse între mai multe module de alimentare și pentru a spori fiabilitatea generală a sistemului.