Принципи проектування збірних шин із низькою-розсіяною-індуктивністю-високої{2}}щільності та аналіз їх застосування в-потужних силових електронних системах

 

Завдяки прогресу в нових енергетичних транспортних засобах, системах накопичення енергії, залізничному транспорті, промисловій автоматизації та інтелектуальних мережах електронне-потужне електронне еволюціонує до вищих напруг, вищих частот і вищої густини потужності. У цьому процесі широкозонні напівпровідникові пристрої наступного-покоління--на прикладі карбіду кремнію (SiC)-поступово замінюють традиційні IGBT-на основі кремнію, слугуючи ключовим технологічним шляхом для підвищення ефективності системи та зменшення розміру обладнання.

 

Порівняно з традиційними кремнієвими матеріалами, напівпровідники SiC пропонують ширшу заборонену зону, вище критичне електричне поле, менші втрати провідності та чудові-температурні характеристики. Ці переваги дозволяють МОП-транзисторам SiC працювати на вищих частотах перемикання, одночасно дозволяючи зменшити розміри магнітних компонентів і структур управління температурою, тим самим збільшуючи загальну щільність потужності.

 

Однак високо{0}}швидкісні можливості комутації також створюють нові інженерні проблеми. Зі збільшенням швидкості комутації силових пристроїв швидкість зміни струму (di/dt) і напруги (dv/dt) значно зростає. За цих умов неминучі паразитні параметри в контурі живлення-зокрема паразитна індуктивність-суттєво впливають на продуктивність системи.

 

Під час високо-швидкісного перемикання паразитна індуктивність створює перехідні стрибки напруги відповідно до співвідношення:

 

V=L × di/dt

 

Коли струм швидко змінюється, навіть невелика величина блукаючої індуктивності може спричинити перевищення напруги на десятки вольт або більше. Ці перехідні напруги не тільки збільшують напругу на пристрої живлення, але також можуть виводити пристрої за межі їхньої безпечної робочої зони (SOA), тим самим ставлячи під загрозу надійність системи.

 

Отже, у сучасних системах перетворення потужності з високою-потужністю мінімізація блукаючої індуктивності контуру живлення стала критичною метою проектування для підвищення ефективності, покращення ефективності електромагнітних перешкод (EMI) і забезпечення безпечної роботи напівпровідникових пристроїв.

 

 

 

Блукаюча індуктивність не є параметром, створеним одним дискретним компонентом; скоріше, це результат сукупної геометрії всієї петлі струму. Це в першу чергу виникає через індуктивність самих провідників, а також від з’єднувальних клем, кабелів, трас друкованих плат, внутрішньої упаковки силового модуля та структур з’єднання шин.

 

У традиційних системах живлення, які використовують стандартні мідні шини або джгути проводів, часто існує значне просторове розділення між позитивними та негативними шляхами струму, що збільшує площу контуру струму. Згідно з принципами електромагнетизму, чим більша площа петлі, тим ширший діапазон генерованого магнітного поля, і тим вище відповідна паразитна індуктивність.

 

У високочастотних силових електронних системах струм не просто тече по довжині провідника; замість цього він створює складний розподіл електромагнітного поля в навколишньому просторі. Тому ключ до зменшення індуктивності розсіювання полягає не лише у збільшенні товщини мідної шини, а й в оптимізації шляху струму-, максимально зближуючи позитивні та негативні петлі ланцюга та мінімізуючи області, де зберігається енергія магнітного поля.

 

Це головна причина, чому так широко використовуються -ламіновані шини високої щільності.

 

 

Ламінована збірна шина – це високо-ефективна структура з’єднання сил, утворена шляхом поєднання кількох шарів провідного матеріалу з ізоляційним середовищем. Як правило, він містить високопровідні матеріали-такі як мідь або алюміній-як шари провідника, розділені ізоляційними матеріалами, які забезпечують відмінну діелектричну міцність і механічну стабільність; вся збірка з’єднується в єдину структуру за допомогою таких процесів, як гаряче пресування, склеювання або ламінування.

 

Порівняно з традиційними одношаровими мідними шинами найбільшою перевагою ламінованої структури є її здатність досягати високого ступеня перекриття між позитивними та негативними шляхами струму.

 

Коли струми, що протікають у протилежних напрямках, проходять через сусідні провідники, діє принцип компенсації електромагнітного поля: магнітні поля, створені двома струмами, протистоять одне одному, ефективно зменшуючи загальний магнітний потік, створюваний петлею струму, і тим самим знижуючи еквівалентну індуктивність системи.

 

Отже, ламінована збірна шина - це більше, ніж просто компонент механічного з'єднання; це критична електромагнітна структура, яка впливає на динамічні характеристики силових електронних систем.

 

У високо-потужних інверторах, перетворювачах накопичення енергії та промисловому обладнанні джерел живлення низька-індуктивність стала ключовим показником для оптимізації структур збірних шин. Наприклад, деякі високошвидкісні комутаційні програми вимагають спеціально розроблених ламінованих шин,-таких як ті, що використовуються в частотно-регульованих приводах (VFD)-, щоб відповідати вимогам системи щодо швидкого реагування та роботи з низькими-втратами.

 

 

 

Оскільки рівень інтеграції електронного обладнання зростає, ламіновані збірні шини вийшли за межі традиційних галузей промислового електропостачання в різні -сфери застосування великої потужності.

 

Наприклад, системи живлення в серверах, телекомунікаційному обладнанні та центрах обробки даних вимагають високонадійних структур розподілу електроенергії, щоб мінімізувати втрати при передачі. Відповідно, ламіновані шини використовуються в обчислювальному обладнанні з високою-щільністю-такому як друковані плати суперкомп’ютерів або об’єднувальні панелі-для забезпечення стабільного живлення для високошвидкісних обчислювальних платформ-.

 

У сфері телекомунікаційної інфраструктури обладнання для базових станцій-високої потужності також вимагає компактних, ефективних рішень для з’єднання живлення; ламіновані збірні шини ефективно відповідають обмеженням щодо простору та потреби в безперервній роботі в системі розподілу електроенергії стільникових базових станцій.

 

Крім того, у великих-енергетичних системах ламіновані шини використовуються в модульних архітектурах електропостачання-таких якШина блоку розподілу живлення (PDU).структури-для полегшення з’єднань-з низькими втратами між кількома модулями живлення та підвищення загальної надійності системи.