Ламинирани инверторни шини: Принцип на намаляване на паразитната индуктивност и ключови съображения за проектиране на висок ток

Основното предимство на ламинираната медна лента произтича от нейната „сандвич“ ламинирана структура-положителните и отрицателните проводящи медни слоеве са плътно подредени заедно през изолираща среда (като полиимид или епоксидна смола), образувайки проводящи вериги с противоположни посоки на тока и припокриващи се пространствени позиции. Когато протича високо-честотен, висок-ток, токът в положителните и отрицателните медни слоеве генерира магнитни полета с еднакъв магнитуд, но противоположна посока. Тези магнитни полета взаимно се компенсират, като значително отслабват общата връзка на магнитния поток на веригата и по този начин значително намаляват паразитната индуктивност. Действителните данни от измерванията показват, че ламинирана медна шина с дължина 200 mm, ширина 100 mm и дебелина 0,5 mm може да контролира своята паразитна индуктивност до 3-5nH, докато паразитната индуктивност на паралелна шина със същия размер може да достигне до 110nH, разлика от над 20 пъти. Тази характеристика с ниска индуктивност не само потиска пиковете на напрежението, но също така намалява загубите при превключване, намалява електромагнитните смущения (EMI) и подобрява цялостната ефективност и надеждност на системата.

Дизайнът на ламинирани шини за телекомуникации изисква внимание към четири основни елемента: Първо, положителните и отрицателните медни слоеве трябва да бъдат строго успоредни и припокриващи се, за да се увеличи максимално площта на припокриване на текущия път и да се минимизира оставащата зона на контура; второ, дебелината на изолационния слой трябва да бъде сведена до минимум, доколкото е възможно, теоретично, колкото по-малко е разстоянието, толкова по-значителен е ефектът на анулиране на магнитното поле; трето, ширината на ламинираната шина трябва да бъде разумно проектирана, тъй като по-широкият меден слой може да подобри равномерността на разпределението на тока под високо-честотния скин-ефект и допълнително да потисне индуктивността; четвърто, позициите на монтажните отвори трябва да бъдат симетрично подредени, за да се гарантира, че разстоянието на свързване между захранващите устройства (като IGBT) и поддържащите кондензатори за постоянен ток е сведено до минимум, намалявайки допълнителната индуктивност на веригата. В допълнение, ламинираните инверторни шини също имат предимства като висок капацитет на ток (3-5A/mm² на единица напречно-площ на сечението), висока ефективност на разсейване на топлината (много-слойна тънка медна структура увеличава площта на разсейване на топлината) и компактна структура (интегрираната конструкция замества разпръснатите кабели) и се използват широко в сценарии с висок ток, като например инвертори за нови енергийни превозни средства, фотоволтаични преобразуватели за съхранение на енергия, индустриални честотни преобразуватели и железопътни транзитни тягови системи.

Количественото определяне на паразитната индуктивност изисква двоен-импулсен тест, който е индустриален-стандартен метод за изпитване. По време на тестването трябва да се изгради половин-мостова верига. Двоен-импулсен сигнал се прилага през ниския-страничен превключвател и се измерват колекторно-емитерното напрежение (Vce) и токовите форми на вълните на горното-рамо устройство (като IGBT). Важно е да изберете преходен процес при включване (вместо преходен процес при изключване) за измерване, тъй като промяната на тока е по-стабилна при включване, като се избягват смущения от обратния ток на възстановяване на свободния диод. Съгласно формулата L=ΔVce / (di/dt), общата паразитна индуктивност на веригата може да се изчисли чрез отчитане на пика на напрежението (ΔVce) и скоростта на промяна на тока (di/dt) при включване-миг. При действителни измервания, паразитната индуктивност на веригата, използваща ламинирани съединители на шини, обикновено е около 75nH, докато тази на традиционните паралелни шини надвишава 200nH, което потвърждава значителните предимства на ламинираната структура.

Когато избирате захранване, подходящото решение трябва да бъде избрано въз основа на номиналния ток: За приложения под 100 A могат да се използват конвенционални ламинирани решения за захранване на шини с дебелина на изолационния слой от 0,2-0,3 mm; за 100-500A приложения са необходими по-дебел меден слой и дебелина на изолационния слой от 0,3-0,5 mm; за 500-1000A приложения е необходима многослойна подредена структура с дебелина на изолационния слой 0,5 mm; а за приложения над 1000A е необходим персонализиран дизайн с разпределение на тока и сила на късо съединение, оптимизирани чрез симулация. Процесът на проектиране трябва да се придържа към принципа за минимизиране на площта на токовия контур, като същевременно се вземат предвид изискванията за разсейване на топлината и механичната якост. За приложения с високо напрежение трябва да се провери и номиналното напрежение на изолацията.