Посібник з оптимізації блукаючої індуктивності ламінованих шин: як зменшити стрибки напруги та втрати на перемикання в інверторах із SiC

Під час переходу силових електронних систем від традиційних кремнієвих IGBT до пристроїв з карбіду кремнію (SiC) поступово виникла ключова проблема: пристрої з SiC мають надзвичайно високу швидкість перемикання, але паразитна індуктивність у системі може серйозно погіршити продуктивність. Стрибки напруги та коливання високої-частоти, спричинені паразитною індуктивністю, не лише загрожують безпеці пристрою, але й значно зменшують переваги SiC у продуктивності. Ламіновані збірні шини високої-щільності є основним структурним рішенням для усунення цього вузького місця. У цій статті пояснюється, чому ламіновані збірні шини можуть зменшити індуктивність і як їх вибрати для практичного застосування.

I. Незважаючи на те, що пристрої з SiC працюють швидше, паразитна індуктивність стає основною перешкодою.

SiC МОП-транзистори перемикаються зі швидкістю в десять разів швидшою, ніж кремнієві пристрої, що забезпечує вищу щільність потужності та ефективність. Однак інша сторона медалі полягає в тому, що швидше перемикання призводить до вищої швидкості зміни струму (di/dt). Відповідно до формули V=L × di/dt, навіть паразитна індуктивність лише в кілька наногенрі може генерувати стрибки напруги в сотні вольт на пристрої. Ці стрибки накладаються на напругу шини, і якщо вони перевищують межу витримуваної напруги пристрою, вони зламаються та згорять.

Більш проблематичною є те, що паразитна індуктивність також може резонувати з вихідною ємністю SiC-пристроїв, створюючи високо-коливання (дзвін). Ці коливання збільшують втрати при комутації та спричиняють нагрівання пристрою, а також створюють серйозні електромагнітні перешкоди, що не дозволяє системі пройти сертифікацію ЕМС. Задля безпеки інженерам часто доводиться йти на компроміс: або вибирати модулі з вищою витримуваною напругою (збільшення вартості та втрат), або збільшувати опір затвора, щоб уповільнити швидкість перемикання (безпосередньо втрачаючи перевагу високої-частоти SiC). Поява три-шарових ламінованих шин має на меті викорінити цю проблему на структурному рівні.

II. Чому ламінована збірна шина в-потужному перетворювачі зменшує індуктивність?

Традиційні збірні шини мають два окремих провідники з прямим і зворотним струмами, розташованими далеко один від одного. Магнітні поля, які вони створюють, не можуть компенсувати одне одного, що призводить до високої індуктивності розсіювання. Основна ідея ламінованої збірної шини в потужному-перетворювачі полягає в тому, щоб прямий і зворотний провідники складалися разом, щоб вони проходили дуже близько один до одного. Напрямки струмів протилежні, протилежні також напрямки магнітного поля; два магнітні поля гасять одне одного, зменшуючи індуктивність розсіювання до однієї-десятої або навіть менше традиційних рішень.

З точки зору класифікації продукту, ламіновані шини – це не звичайні провідні шини, а радше пасивні силові компоненти з точно розробленою структурою. Залежно від кількості шарів, загальні конструкції включають три, чотири або навіть п'ять шарів. Чим більше шарів, тим компактніший шлях струму і менша індуктивність. Будучи ключовим з’єднувальним компонентом інвертора, його значення індуктивності безпосередньо визначає верхню межу динамічних характеристик інвертора.

III. Як вибрати ламіновані шини для різних сценаріїв застосування?

Основна логіка вибору така: спочатку враховуйте рівень напруги, потім поточну потужність і, нарешті, простір для встановлення.

Транспортні засоби з новою енергією наразі є найшвидше{0}}сферою застосування ламінованих шин. Ламіновані шини для електромобілів повинні пропускати сотні ампер струму в дуже невеликому просторі, відповідаючи вимогам щодо-автомобільних вібрацій і зміни температури. Вони зазвичай використовують багато{4}}шарові композитні структури, щоб збалансувати низьку індуктивність і високу надійність.

Сектор залізничного транспорту має надзвичайно високі вимоги до безпеки. Ламіновані шини метрополітену мають відповідати суворим стандартам вибухонепроникності,-захищеності-і корозії-захисту, одночасно контролюючи електромагнітні перешкоди в закритому середовищі підземних тунелів. Тому часто вибирають вироби із захисними конструкціями, наприклад високовольтні вибухозахищені інверторні шини-.

Для складних топологій, таких як три{0}}рівневі інвертори, ламіновані шини для три-рівневих інверторів потребують інтеграції кількох позитивних і негативних шин в одній шині, що призводить до вищої структурної складності та суворіших вимог до міжшарової ізоляції та точності вирівнювання. Ламіновані збірні шини для складних установок збірних шин призначені для промислових перетворювачів частоти, систем накопичення енергії та інших застосувань і підтримують індивідуальні багато-розгалужувальні конструкції.