Laminované prípojnice Sprievodca optimalizáciou rozptylovej indukčnosti: Ako znížiť napäťové špičky a spínacie straty v SiC invertoroch

Pri prechode výkonových elektronických systémov z tradičných kremíkových IGBT na zariadenia z karbidu kremíka (SiC) sa postupne objavil kľúčový problém: SiC zariadenia majú extrémne rýchle spínacie rýchlosti, ale rozptylová indukčnosť v systéme môže vážne brániť výkonu. Napäťové špičky a vysoko{1}}frekvenčné oscilácie spôsobené rozptylovou indukčnosťou nielen ohrozujú bezpečnosť zariadenia, ale výrazne znižujú aj výkonnostné výhody SiC. Laminované prípojnice s vysokou-hustotou sú hlavným štrukturálnym riešením na riešenie tohto úzkeho miesta. Tento článok vysvetlí, prečo môžu laminované prípojnice znížiť indukčnosť a ako ich vybrať v praktických aplikáciách.

I. Zatiaľ čo zariadenia SiC sú rýchlejšie, rozptylová indukčnosť sa stáva hlavnou prekážkou.

SiC MOSFETy sa prepínajú rýchlosťou viac ako desaťkrát rýchlejšími ako kremíkové zariadenia, čo vedie k vyššej hustote výkonu a účinnosti. Druhou stranou mince však je, že rýchlejšie spínanie vedie k vyššej rýchlosti zmeny prúdu (di/dt). Podľa vzorca V=L × di/dt môže aj rozptylová indukčnosť len niekoľkých nanohenry generovať napäťové špičky v stovkách voltov naprieč zariadením. Tieto hroty sa prekrývajú s napätím zbernice a ak prekročia limit výdržného napätia zariadenia, pokazia sa a zhoria.

Problematickejšie je, že rozptylová indukčnosť môže tiež rezonovať s výstupnou kapacitou zariadení SiC a generovať vysokofrekvenčné oscilácie (zvonenie). Táto oscilácia zvyšuje spínacie straty a spôsobuje zahrievanie zariadenia a tiež generuje silné elektromagnetické rušenie, ktoré bráni systému prejsť certifikáciou EMC. Kvôli bezpečnosti musia technici často robiť kompromisy: buď si vyberú moduly s vyšším výdržným napätím (zvýšenie nákladov a strát), alebo zvýšia odpor hradla, aby sa spomalila rýchlosť spínania (priamo mrhali vysoko-frekvenčnou výhodou SiC). Vznik trojvrstvových laminovaných prípojníc má za cieľ odstrániť tento problém na konštrukčnej úrovni.

II. Prečo laminovaná prípojnica vo vysokovýkonnom meniči-znižuje indukčnosť?

Tradičné prípojnice majú dva samostatné vodiče s dopredným a spätným prúdom ďaleko od seba. Magnetické polia, ktoré vytvárajú, sa nemôžu navzájom rušiť, čo vedie k vysokej rozptylovej indukčnosti. Hlavnou myšlienkou laminovanej prípojnice vo vysokovýkonnom meniči-je naskladať dopredné a spätné vodiče dohromady, aby viedli veľmi blízko seba. Smery prúdu sú opačné a smery magnetického poľa sú tiež opačné; dve magnetické polia sa navzájom rušia, čím sa rozptylová indukčnosť znižuje na jednu-desatinu alebo ešte menej v porovnaní s tradičnými riešeniami.

Z hľadiska klasifikácie produktov nie sú laminované zbernice obyčajné vodivé zbernice, ale pasívne výkonové komponenty s presne navrhnutou štruktúrou. V závislosti od počtu vrstiev bežné štruktúry zahŕňajú tri, štyri alebo dokonca päť vrstiev. Čím viac vrstiev, tým kompaktnejšia je dráha prúdu a tým nižšia je indukčnosť. Ako kľúčový pripojovací komponent v invertore jeho hodnota indukčnosti priamo určuje hornú hranicu dynamického výkonu celého meniča.

III. Ako vybrať laminované prípojnice pre rôzne aplikačné scenáre?

Hlavná logika výberu je: najprv zvážte úroveň napätia, potom prúdovú kapacitu a nakoniec inštalačný priestor.

Nové energetické vozidlá sú v súčasnosti najrýchlejšie{0}}rastúcou oblasťou použitia laminovaných prípojníc. Laminované prípojnice pre elektrické autá musia prenášať stovky ampérov prúdu na veľmi malom priestore, pričom musia spĺňať požiadavky na vibrácie a teplotné cykly automobilového-stupňa. Zvyčajne využívajú viacvrstvové kompozitné štruktúry na vyváženie nízkej indukčnosti a vysokej spoľahlivosti.

Sektor železničnej dopravy má mimoriadne vysoké bezpečnostné požiadavky. Lambinované prípojnice metra musia spĺňať prísne normy ochrany proti výbuchu-, ohňovzdornosti{2}}a korózii-, pričom musia kontrolovať elektromagnetické rušenie v uzavretom prostredí podzemných tunelov. Preto sa často vyberajú produkty s ochranným dizajnom, ako sú prípojnice meniča s ochranou proti výbuchu vysokého napätia{5}}.

V prípade zložitých topológií, ako sú napríklad troj{0}}úrovňové meniče, je potrebné, aby laminované zbernice pre troj-invertory integrovali viacero kladných a záporných zberníc do jednej zbernice, čo má za následok vyššiu štrukturálnu zložitosť a prísnejšie požiadavky na izoláciu medzi vrstvami a presnosť zarovnania. Laminované prípojnice pre komplexné inštalácie prípojníc sú navrhnuté pre priemyselné frekvenčné meniče, systémy na ukladanie energie a iné aplikácie a podporujú prispôsobené viac-odvetvové návrhy.