Принципи на проектиране на подредени шини с ниска-разсеяна-индуктивност и висока{2}}плътност и анализ на приложението им в електронни системи с висока-мощност

 

Водено от напредъка в новите енергийни превозни средства, системите за съхранение на енергия, железопътния транспорт, индустриалната автоматизация и интелигентните мрежови технологии, високо{0}}мощното електронно оборудване се развива към по-високи напрежения, по-високи честоти и по-висока плътност на мощността. В този процес следващо{2}}поколение-широколентови полупроводникови устройства-илюстрирани от силициев карбид (SiC)-постепенно заменят традиционните IGBT-базирани на силиций, служейки като ключов технологичен път за повишаване на ефективността на системата и намаляване на размера на оборудването.

 

В сравнение с традиционните силициеви материали, SiC полупроводниците предлагат по-широка ширина на лентата, по-високо критично електрическо поле, по-ниски загуби на проводимост и превъзходни високи-температурни характеристики. Тези предимства позволяват на SiC MOSFET да работят при по-високи честоти на превключване, като същевременно позволяват намаляване на размера на магнитните компоненти и структурите за управление на топлината, като по този начин се увеличава общата плътност на мощността.

 

Възможностите за високо{0}}скоростно превключване обаче въвеждат и нови инженерни предизвикателства. Тъй като скоростта на превключване на захранващите устройства се увеличава, скоростите на промяна на тока (di/dt) и напрежението (dv/dt) нарастват значително. При тези условия неизбежните паразитни параметри в силовата верига-най-вече паразитната индуктивност-оказват значително въздействие върху производителността на системата.

 

По време на високо{0}}скоростно превключване, паразитната индуктивност генерира преходни пикове на напрежението в съответствие с връзката:

 

V=L × di/dt

 

Когато токът се променя бързо, дори малко количество разсеяна индуктивност може да доведе до превишаване на напрежението с десетки волта или повече. Тези преходни напрежения не само увеличават напрежението върху захранващите устройства, но също така могат да изтласкат устройствата извън тяхната безопасна работна зона (SOA), като по този начин компрометират надеждността на системата.

 

Следователно в съвременните системи за преобразуване на висока-енергия минимизирането на блуждаещата индуктивност на силовия контур се превърна в критична проектна цел за повишаване на ефективността, подобряване на ефективността на електромагнитните смущения (EMI) и осигуряване на безопасна работа на полупроводникови устройства.

 

 

 

Разсеяната индуктивност не е параметър, генериран от единичен, отделен компонент; по-скоро това е резултат от колективната геометрия на цялата токова верига. Основно произтича от индуктивността на самите проводници, както и от свързващи клеми, кабели, печатни платки, вътрешни опаковки на захранващ модул и структури за свързване на шини.

 

В традиционните енергийни системи, използващи стандартни медни шини или кабелни снопове, често има значително пространствено разделение между положителните и отрицателните пътища на тока, което увеличава площта на токовия контур. Според принципите на електромагнетизма, колкото по-голяма е площта на контура, толкова по-широк е обхватът на генерираното магнитно поле и толкова по-висока е съответната паразитна индуктивност.

 

Във високо{0}}честотните силови електронни системи токът не тече просто по дължината на проводник; вместо това създава сложно разпределение на електромагнитното поле в околното пространство. Следователно ключът към намаляването на разсеяната индуктивност не се крие само в увеличаването на дебелината на медната шина, но и в оптимизирането на токовия път-сближаване на положителните и отрицателните вериги на веригата възможно най-близо една до друга и минимизиране на областите, където се съхранява енергията на магнитното поле.

 

Това е основната причина защо ламинираните шини с висока{0}}плътност са толкова широко използвани.

 

 

Ламинираната шина е високо{0}}ефективна структура за взаимно свързване на мощност, образувана чрез комбиниране на множество слоеве проводящ материал с изолираща среда. Обикновено той включва високопроводими материали-като мед или алуминий-като проводящи слоеве, разделени от изолационни материали, които предлагат отлична диелектрична якост и механична стабилност; целият комплект е свързан в единна структура чрез процеси като горещо пресоване, залепване или ламиниране.

 

В сравнение с традиционните еднослойни-медни шини, най-голямото предимство на ламинираната структура е способността й да постигне висока степен на припокриване между положителните и отрицателните пътища на тока.

 

Когато токове, протичащи в противоположни посоки, преминават през съседни проводници, се прилага принципът на анулиране на електромагнитното поле: магнитните полета, генерирани от двата тока, се противопоставят едно на друго, като ефективно намаляват общия магнитен поток, произведен от токовата верига, и по този начин намаляват еквивалентната индуктивност на системата.

 

Следователно ламинираната шина е нещо повече от механичен свързващ компонент; това е критична електромагнитна структура, която влияе върху динамичните характеристики на силови електронни системи.

 

При високо{0}}мощните инвертори, преобразувателите за съхранение на енергия и промишленото електрозахранващо оборудване дизайнът с ниска-индуктивност се превърна в ключов показател за оптимизиране на структурите на шините. Например някои високо{3}}превключващи приложения изискват специално проектирани ламинирани шини-като тези, използвани в задвижвания с променлива честота (VFD)-за да отговорят на изискванията на системата за бърза реакция и работа с ниски-загуби.

 

 

 

С нарастването на нивото на интеграция на електронното оборудване ламинираните шини се разшириха отвъд традиционните индустриални сектори на захранване в различни-приложни области с висока мощност.

 

Например, енергийните системи в сървъри, телекомуникационно оборудване и центрове за данни изискват високонадеждни структури за разпределение на електроенергия, за да се намалят загубите при предаване. Съответно ламинираните шини се използват в изчислително оборудване с висока-плътност-като в платки на суперкомпютри или задни платки-за осигуряване на стабилно захранване за високо-изчислителни платформи.

 

В сферата на телекомуникационната инфраструктура високо{0}}мощното оборудване за базови станции също изисква компактни, ефективни решения за захранване; ламинираните шини ефективно отговарят на ограниченията по отношение на пространството и необходимостта от непрекъсната работа в разпределението на мощността на клетъчната базова станция.

 

Освен това в широкомащабни енергийни системи ламинираните шини се използват в модулни енергийни архитектури-като напр.Шина на разпределителен блок (PDU).структури-за улесняване на връзки с ниски-загуби между множество захранващи модули и подобряване на цялостната надеждност на системата.