Laminirane sabirnice Vodič za optimizaciju lutajuće induktivnosti: Kako smanjiti skokove napona i komutacijske gubitke u SiC inverterima

U prelasku energetskih elektronskih sistema sa tradicionalnih silicijumskih IGBT na uređaje od silicijum karbida (SiC), postepeno se pojavio ključni problem: SiC uređaji imaju izuzetno velike brzine prebacivanja, ali zalutala induktivnost u sistemu može ozbiljno da ometa performanse. Naponski skokovi i visoko{1}}oscilacije uzrokovane zalutalom induktivnošću ne samo da ugrožavaju sigurnost uređaja već i značajno umanjuju prednosti performansi SiC-a. Laminirane sabirnice velike gustine{3}}su osnovno strukturno rješenje za rješavanje ovog uskog grla. Ovaj članak će objasniti zašto laminirane sabirnice mogu smanjiti induktivnost i kako ih odabrati u praktičnim primjenama.

I. Dok su SiC uređaji brži, zalutala induktivnost postaje glavna prepreka.

SiC MOSFET-i se prebacuju pri brzinama više od deset puta bržim od silicijumskih uređaja, što rezultira većom gustinom snage i efikasnošću. Međutim, druga strana medalje je da brže prebacivanje dovodi do veće brzine promjene struje (di/dt). Prema formuli V=L × di/dt, čak i zalutala induktivnost od samo nekoliko nanohenrija može generirati skokove napona od stotina volti na uređaju. Ovi šiljci su postavljeni na napon sabirnice, i ako premaše granicu otpornog napona uređaja, pokvariće se i izgorjeti.

Problematičnije je to što zalutala induktivnost također može rezonirati sa izlaznim kapacitetom SiC uređaja, generirajući visoko-oscilacije visoke frekvencije (zvonjenje). Ova oscilacija povećava komutacione gubitke i uzrokuje zagrevanje uređaja, a takođe stvara ozbiljne elektromagnetne smetnje, sprečavajući sistem da prođe EMC sertifikat. Radi sigurnosti, inženjeri često moraju praviti kompromise: ili odabrati module sa većim otpornim naponom (povećavaju troškove i gubitke) ili povećati otpor gejta kako bi usporili brzinu prebacivanja (direktno trošeći prednost visoke-frekvencije SiC-a). Pojava troslojnih laminiranih sabirnica ima za cilj otklanjanje ovog problema na strukturnom nivou.

II. Zašto laminirana sabirnica u visoko-konvertoru smanjuje induktivnost?

Tradicionalne sabirnice imaju dva odvojena provodnika, sa prednjim i povratnim strujama udaljenim daleko. Magnetna polja koja generiraju ne mogu se poništiti jedno drugo, što rezultira visokom lutajućom induktivnošću. Osnovna ideja laminirane sabirnice u konvertoru velike-snage je da se prednji i obrnuti provodnici slažu zajedno, čineći ih veoma blizu jedan drugom. Smjerovi struje su suprotni, a pravci magnetnog polja su također suprotni; dva magnetna polja poništavaju jedno drugo, smanjujući lutajuću induktivnost na jednu-desetinu ili čak manje od tradicionalnih rješenja.

Iz perspektive klasifikacije proizvoda, laminirane sabirnice nisu obične provodne sabirnice, već pasivne energetske komponente sa precizno dizajniranom strukturom. U zavisnosti od broja slojeva, uobičajene strukture uključuju tri, četiri ili čak pet slojeva. Što je više slojeva, to je strujni put kompaktniji i induktivnost niža. Kao ključna komponenta veze u pretvaraču, njegova vrijednost induktivnosti direktno određuje gornju granicu dinamičkih performansi cijelog pretvarača.

III. Kako odabrati laminirane sabirnice za različite scenarije primjene?

Osnovna logika izbora je: prvo razmotrite nivo napona, zatim trenutni kapacitet i na kraju prostor za instalaciju.

Nova energetska vozila su trenutno najbrže{0}}rastuća oblast primjene lambiniranih sabirnica. Laminirane sabirnice za električne automobile moraju nositi stotine ampera struje unutar vrlo malog prostora, dok istovremeno ispunjavaju zahtjeve za vibracije i temperaturu u automobilskoj{2}}klasi. Obično koriste više-slojne kompozitne strukture da uravnoteže nisku induktivnost i visoku pouzdanost.

Željeznički tranzitni sektor ima izuzetno visoke sigurnosne zahtjeve. Sabirnice podzemne željeznice moraju ispunjavati stroge standarde za{1}}otpornost na eksploziju,{2}}otpornost na vatru i koroziju-zaštitu, dok kontroliraju elektromagnetne smetnje u zatvorenom okruženju podzemnih tunela. Stoga se često biraju proizvodi sa zaštitnim dizajnom, kao što su invertorske sabirnice otporne na eksploziju-visokog napona.

Za složene topologije kao što su pretvarači sa tri-razina, laminirane sabirnice za tri-invertore trebaju integrirati više pozitivnih i negativnih sabirnica unutar jedne sabirnice, što rezultira većom strukturnom složenošću i strožim zahtjevima za međuslojnu izolaciju i preciznost poravnanja. Laminirane sabirnice za složene sabirničke instalacije su dizajnirane za industrijske frekventne pretvarače, sisteme za skladištenje energije i druge aplikacije i podržavaju prilagođene dizajne sa više ogranaka.