Pienen-hajainduktanssin-korkean-tiheyden pinottujen virtakiskojen suunnitteluperiaatteet ja niiden sovellusten analyysi-suurtehoisissa elektronisissa järjestelmissä

 

Uusien energiaajoneuvojen, energian varastointijärjestelmien, rautatieliikenteen, teollisuusautomaation ja älykkäiden verkkoteknologioiden kehityksen johdosta suuritehoiset{0}}tehoelektroniikkalaitteet kehittyvät kohti korkeampia jännitteitä, korkeampia taajuuksia ja suurempia tehotiheyksiä. Tässä prosessissa seuraavan -sukupolven laajakaistaiset-kaistaväliset puolijohdelaitteet-esimerkiksi piikarbidi (SiC)-korvaavat vähitellen perinteiset pii-pohjaiset IGBT:t, mikä toimii keskeisenä teknologisena keinona parantaa järjestelmän tehokkuutta ja pienentää laitekokoa.

 

Perinteisiin piimateriaaleihin verrattuna piikarbidipuolijohteet tarjoavat suuremman kaistavälin, suuremman kriittisen sähkökentän, pienemmät johtavuushäviöt ja erinomaisen suorituskyvyn korkeassa{0}}lämpötiloissa. Nämä edut mahdollistavat SiC MOSFET:ien toiminnan korkeammilla kytkentätaajuuksilla samalla kun ne mahdollistavat magneettisten komponenttien ja lämmönhallintarakenteiden pienentämisen, mikä lisää yleistä tehotiheyttä.

 

Nopeat{0}}kytkentäominaisuudet tuovat kuitenkin myös uusia suunnitteluhaasteita. Teholaitteiden kytkentänopeuden kasvaessa virran muutosnopeudet (di/dt) ja jännitteen (dv/dt) nousevat merkittävästi. Näissä olosuhteissa tehosilmukan väistämättömät loisparametrit-erityisesti hajainduktanssi- vaikuttavat merkittävästi järjestelmän suorituskykyyn.

 

Suurinopeuksisen{0}}kytkennän aikana hajainduktanssi synnyttää transientteja jännitepiikkejä seuraavan suhteen mukaisesti:

 

V=P × di/dt

 

Kun virta muuttuu nopeasti, jopa pieni määrä hajainduktanssia voi aiheuttaa kymmenien volttien tai suurempia jännitteen ylityksiä. Nämä transienttijännitteet eivät ainoastaan ​​lisää teholaitteiden jännitteitä, vaan voivat myös työntää laitteita turvallisen toiminta-alueensa (SOA) ulkopuolelle, mikä heikentää järjestelmän luotettavuutta.

 

Tämän seurauksena nykyaikaisissa suuritehoisissa{0}}tehomuunnosjärjestelmissä tehosilmukan hajainduktanssin minimoimisesta on tullut kriittinen suunnittelutavoite tehokkuuden parantamiseksi, sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) suorituskyvyn parantamiseksi ja puolijohdelaitteiden turvallisen toiminnan varmistamiseksi.

 

 

 

Hajainduktanssi ei ole yksittäisen erillisen komponentin luoma parametri; pikemminkin se on seurausta koko virtasilmukan kollektiivisesta geometriasta. Se johtuu ensisijaisesti itse johtimien induktiivisuudesta sekä liitäntäliittimistä, kaapeleista, piirilevyjäljistä, sisäisestä tehomoduulipakkauksesta ja virtakiskojen liitäntärakenteista.

 

Perinteisissä tehojärjestelmissä, joissa käytetään tavallisia kuparikiskoja tai johtosarjoja, positiivisten ja negatiivisten virtateiden välillä on usein merkittävä tilaero, mikä kasvattaa virtasilmukan pinta-alaa. Sähkömagnetismin periaatteiden mukaan mitä suurempi silmukan pinta-ala, sitä laajempi on syntyvän magneettikentän alue ja sitä suurempi vastaava loisinduktanssi.

 

Korkeataajuisissa-tehoelektroniikkajärjestelmissä virta ei vain kulje johtimen pituudella. sen sijaan se luo monimutkaisen sähkömagneettisen kentän jakautumisen ympäri ympäröivään tilaan. Siksi avain hajainduktanssin vähentämiseen ei ole pelkästään kuparikiskon paksuuden lisäämisessä, vaan virranpolun optimoinnissa, -saamalla positiiviset ja negatiiviset piirisilmukat mahdollisimman lähelle toisiaan ja minimoimalla alueet, joihin magneettikentän energiaa varastoituu.

 

Tämä on ensisijainen syy, miksi suuritiheyksisiä laminoituja virtakiskoja käytetään niin laajalti.

 

 

Laminoitu virtakisko on tehokas{0}}teholiitäntärakenne, joka on muodostettu yhdistämällä useita kerroksia johtavaa materiaalia eristysmateriaaliin. Tyypillisesti siinä on johdinkerroksina erittäin johtavia materiaaleja,-kuten kuparia tai alumiinia-, jotka on erotettu eristysmateriaaleista, jotka tarjoavat erinomaisen dielektrisen lujuuden ja mekaanisen stabiilisuuden. koko kokoonpano liimataan yhtenäiseksi rakenteeksi esimerkiksi kuumapuristuksen, liimauksen tai laminoinnin avulla.

 

Perinteisiin yksikerroksisiin kuparikiskoihin verrattuna laminoidun rakenteen suurin etu on sen kyky saavuttaa suuri päällekkäisyys positiivisten ja negatiivisten virtateiden välillä.

 

Kun vastakkaisiin suuntiin kulkevat virrat kulkevat vierekkäisten johtimien läpi, pätee sähkömagneettisen kentän kumoamisen periaate: kahden virran synnyttämät magneettikentät ovat vastakkain, mikä vähentää tehokkaasti virtasilmukan tuottamaa kokonaismagneettista vuota ja alentaa siten järjestelmän vastaavaa induktanssia.

 

Näin ollen laminoitu virtakisko on enemmän kuin pelkkä mekaaninen liitoskomponentti; se on kriittinen sähkömagneettinen rakenne, joka vaikuttaa tehoelektroniikkajärjestelmien dynaamiseen suorituskykyyn.

 

Suuritehoisissa inverttereissä, energian varastointimuuntimissa ja teollisuuden virtalähdelaitteissa alhaisen-induktanssin suunnittelusta on tullut keskeinen mittari virtakiskorakenteiden optimoinnissa. Esimerkiksi tietyt-nopeat kytkentäsovellukset vaativat erityisesti suunniteltuja laminoituja virtakiskoja-, kuten niitä, joita käytetään vaihtelevissa taajuuksissa (VFD)-, jotta ne täyttäisivät järjestelmän nopean vasteen ja{6}}häviöllisen toiminnan vaatimukset.

 

 

 

Kun elektroniikkalaitteiden integrointiaste kasvaa, laminoidut virtakiskot ovat laajentuneet perinteisten teollisuuden teholähteiden ulkopuolelle useille suuritehoisille{0}}sovellusalueille.

 

Esimerkiksi palvelimien, tietoliikennelaitteiden ja datakeskusten tehojärjestelmät vaativat erittäin luotettavia sähkönjakelurakenteita siirtohäviöiden minimoimiseksi. Siksi laminoituja virtakiskoja käytetään suuritiheyksisissä laskentalaitteissa-kuten supertietokoneiden piirilevyissä tai taustalevyissä-, jotta varmistetaan vakaa virransyöttö nopeille-laskenta-alustoille.

 

Tietoliikenneinfrastruktuurin alalla suuritehoiset{0}}tukiasemalaitteet vaativat myös kompakteja ja tehokkaita teholiitäntäratkaisuja. laminoidut kiskot täyttävät tehokkaasti tilaa koskevat rajoitukset ja jatkuvan toiminnan tarpeet solukkotukiaseman tehonjakelussa.

 

Lisäksi suurissa{0}}tehojärjestelmissä laminoituja virtakiskoja käytetään modulaarisissa tehoarkkitehtuureissa-kutenPower Distribution Unit (PDU) -virtakiskorakenteet-jotka helpottavat vähähäviöisiä yhteyksiä useiden tehomoduulien välillä ja parantavat järjestelmän yleistä luotettavuutta.