Ръководство за оптимизиране на бездомната индуктивност на ламинирани шини: Как да се намалят пиковете на напрежението и загубите при превключване в SiC инвертори

При прехода на силовите електронни системи от традиционни силициеви IGBT към устройства със силициев карбид (SiC) постепенно се появи ключов проблем: SiC устройствата имат изключително бързи скорости на превключване, но бездомната индуктивност в системата може сериозно да попречи на производителността. Пикове в напрежението и високо{1}}честотни колебания, причинени от паразитна индуктивност, не само застрашават безопасността на устройството, но и значително намаляват предимствата на SiC в производителността. Ламинираните шини с висока-плътност са основното структурно решение за справяне с това тясно място. Тази статия ще обясни защо ламинираните шини могат да намалят индуктивността и как да ги изберете в практически приложения.

I. Докато SiC устройствата са по-бързи, бездомната индуктивност се превръща в основна пречка.

SiC MOSFETs превключват със скорости повече от десет пъти по-бързи от силициевите устройства, което води до по-висока плътност на мощността и ефективност. Обаче другата страна на монетата е, че по-бързото превключване води до по-висока скорост на промяна на тока (di/dt). Съгласно формулата V=L × di/dt, дори блуждаеща индуктивност от само няколко нанохенри може да генерира пикове на напрежението от стотици волта в устройството. Тези пикове се наслагват върху напрежението на шината и ако превишат границата на издържаното напрежение на устройството, те ще се повредят и ще изгорят.

По-проблематично е, че разсеяната индуктивност може също да резонира с изходния капацитет на SiC устройствата, генерирайки високо-честотни трептения (звънене). Това трептене увеличава загубите при превключване и причинява нагряване на устройството, а също така генерира тежки електромагнитни смущения, предотвратявайки преминаването на EMC сертифицирането на системата. За безопасност инженерите често трябва да направят компромис: или да изберат модули с по-високо издържащо напрежение (увеличаване на разходите и загубите), или да увеличат съпротивлението на гейта, за да забавят скоростта на превключване (директно губейки високо-честотното предимство на SiC). Появата на три-слойни ламинирани шини има за цел да изкорени този проблем на структурно ниво.

II. Защо ламинирана шина в преобразувател с висока-мощност намалява индуктивността?

Традиционните шини имат два отделни проводника с прав и обратен ток, далеч един от друг. Магнитните полета, които генерират, не могат да се компенсират взаимно, което води до висока индуктивност на разсейване. Основната идея на ламинираната шина в преобразувател с висока-мощност е да подреди проводниците за права и обратна посока заедно, което ги прави много близо един до друг. Посоките на тока са противоположни и посоките на магнитното поле също са противоположни; двете магнитни полета взаимно се компенсират, намалявайки индуктивността на разсейване до една-десета или дори по-малко от традиционните решения.

От гледна точка на продуктовата класификация, ламинираните шини не са обикновени проводими шини, а по-скоро пасивни силови компоненти с прецизно проектирана структура. В зависимост от броя на слоевете, общите структури включват три, четири или дори пет слоя. Колкото повече слоеве, толкова по-компактен е токовият път и толкова по-ниска е индуктивността. Като ключов свързващ компонент в инвертора, неговата стойност на индуктивност директно определя горната граница на цялата динамична производителност на инвертора.

III. Как да изберем ламинирани шини за различни сценарии на приложение?

Основната логика за избор е: първо вземете предвид нивото на напрежение, след това текущия капацитет и накрая пространството за инсталиране.

Превозните средства с нова енергия понастоящем са най-бързо-развиващата се област на приложение на ламинирани шини. Ламинираните шини за електрически автомобили трябва да пренасят стотици ампери ток в рамките на много малко пространство, като същевременно отговарят на изискванията за-автомобилни вибрации и температурни цикли. Те обикновено използват много-слойни композитни структури за балансиране на ниска индуктивност и висока надеждност.

Секторът на железопътния транзит има изключително високи изисквания за безопасност. Ламинираните шини на метрото трябва да отговарят на строги стандарти за взривообезопасена, -пожароустойчива и -устойчива на корозия защита, като същевременно контролират електромагнитните смущения в затворената среда на подземните тунели. Поради това често се избират продукти със защитни конструкции, като високоволтови взривозащитени-инверторни шини.

За сложни топологии, като три{0}}степенни инвертори, ламинираните шини за три-степенни инвертори трябва да интегрират множество положителни и отрицателни шини в рамките на една шина, което води до по-висока структурна сложност и по-строги изисквания за междуслойна изолация и точност на подравняване. Ламинираните шини за сложни инсталации на шини са предназначени за промишлени честотни преобразуватели, системи за съхранение на енергия и други приложения и поддържат персонализирани много-разклонителни дизайни.