Ghid de optimizare a inductanței parazite pentru barele colectoare laminate: Cum să reduceți vârfurile de tensiune și pierderile de comutare în invertoarele SiC

În tranziția sistemelor electronice de putere de la IGBT-uri tradiționale de siliciu la dispozitive cu carbură de siliciu (SiC), o problemă cheie a apărut treptat: dispozitivele SiC au viteze de comutare extrem de mari, dar inductanța rătăcită în sistem poate împiedica grav performanța. Picurile de tensiune și oscilațiile de-frecvență înaltă cauzate de inductanța parazită nu numai că amenință siguranța dispozitivului, ci și diminuează semnificativ avantajele de performanță ale SiC. Barele colectoare laminate de-densitate mare sunt soluția structurală de bază pentru a rezolva acest blocaj. Acest articol va explica de ce barele laminate pot reduce inductanța și cum să le selectați în aplicații practice.

I. În timp ce dispozitivele SiC sunt mai rapide, inductanța parazită devine un obstacol major.

MOSFET-urile SiC comută la viteze de peste zece ori mai rapide decât dispozitivele cu siliciu, rezultând o densitate și eficiență mai mari a puterii. Cu toate acestea, cealaltă parte a monedei este că comutarea mai rapidă duce la o rată mai mare de schimbare a curentului (di/dt). Conform formulei V=L × di/dt, chiar și o inductanță parazită de doar câteva nanohenries poate genera vârfuri de tensiune de sute de volți pe dispozitiv. Aceste vârfuri suprapuse tensiunii magistralei, iar dacă depășesc limita tensiunii de rezistență a dispozitivului, se vor rupe și se vor arde.

Mai problematic este faptul că inductanța parazită poate rezona și cu capacitatea de ieșire a dispozitivelor SiC, generând oscilații de-frecvență înaltă (sunet). Această oscilație crește pierderile de comutare și determină încălzirea dispozitivului și, de asemenea, generează interferențe electromagnetice severe, împiedicând sistemul să treacă certificarea EMC. Pentru siguranță, inginerii trebuie adesea să facă compromisuri: fie să aleagă module cu o tensiune de rezistență mai mare (creșterea costurilor și a pierderilor) fie să mărească rezistența porții pentru a încetini viteza de comutare (risipând direct avantajul de-frecvență înaltă al SiC). Apariția barelor colectoare laminate cu trei-straturi urmărește eradicarea acestei probleme la nivel structural.

II. De ce o bară laminată dintr-un convertor de putere mare-reduce inductanța?

Barele colectoare tradiționale au doi conductori separati, cu curenți înainte și invers, departe unul de celălalt. Câmpurile magnetice pe care le generează nu se pot anula reciproc, rezultând o inductanță mare parazită. Ideea de bază a unei bare colectoare laminate într-un convertor de-putere mare este de a stivui conductoarele înainte și înapoi, făcându-le să ruleze foarte aproape unul de altul. Direcțiile curentului sunt opuse, iar direcțiile câmpului magnetic sunt, de asemenea, opuse; cele două câmpuri magnetice se anulează reciproc, reducând inductanța parazită la o-o zecime sau chiar mai puțin din soluțiile tradiționale.

Din perspectiva clasificării produselor, barele colectoare laminate nu sunt bare conductoare obișnuite, ci mai degrabă componente pasive de putere cu o structură proiectată cu precizie. În funcție de numărul de straturi, structurile comune includ trei, patru sau chiar cinci straturi. Cu cât sunt mai multe straturi, cu atât calea curentului este mai compactă și inductanța este mai mică. Fiind o componentă cheie de conectare a invertorului, valoarea inductanței acesteia determină direct limita superioară a performanței dinamice a întregului invertor.

III. Cum să selectați barele de bus laminate pentru diferite scenarii de aplicare?

Logica de bază pentru selecție este: mai întâi luați în considerare nivelul de tensiune, apoi capacitatea de curent și, în final, spațiul de instalare.

Vehiculele cu energie nouă reprezintă în prezent zona de aplicație cu cea mai rapidă-creștere pentru barele lambinate. Barele de transport laminate pentru mașinile electrice trebuie să transporte sute de amperi de curent într-un spațiu foarte mic, în timp ce îndeplinesc cerințele de vibrații și temperatură ale automobilelor-. De obicei, folosesc structuri compozite multi-strat pentru a echilibra inductanța scăzută și fiabilitatea ridicată.

Sectorul de tranzit feroviar are cerințe de siguranță extrem de ridicate. Barele de distribuție lambinate de metrou trebuie să îndeplinească standarde stricte pentru protecția împotriva exploziilor, la foc- și la coroziune-, controlând în același timp interferența electromagnetică în mediul închis al tunelurilor subterane. Prin urmare, sunt adesea alese produse cu design de protecție, cum ar fi barele colectoare cu invertor rezistente la explozii de înaltă tensiune-.

Pentru topologii complexe, cum ar fi invertoarele cu trei-nivele, barele colectoare lambinate pentru invertoarele cu trei-niveluri trebuie să integreze mai multe magistrale pozitive și negative într-o singură bară, ceea ce duce la o complexitate structurală mai mare și cerințe mai stricte pentru izolarea interstratului și precizia de aliniere. Barele colectoare laminate pentru instalațiile complexe de bare colectoare sunt proiectate pentru convertoare industriale de frecvență, sisteme de stocare a energiei și alte aplicații și acceptă proiecte personalizate cu mai multe ramuri-.