Laminoidut virtakiskot Hajainduktanssin optimointiopas: Kuinka vähentää jännitepiikkejä ja kytkentähäviöitä piikarbidi-inverttereissä

Tehoelektroniikkajärjestelmien siirtymisessä perinteisistä pii-IGBT-laitteista piikarbidilaitteiksi (SiC) on vähitellen noussut esiin keskeinen ongelma: SiC-laitteilla on erittäin nopeat kytkentänopeudet, mutta järjestelmän hajainduktanssi voi vakavasti haitata suorituskykyä. Hajainduktanssin aiheuttamat jännitepiikit ja korkeataajuiset{1}}värähtelyt eivät ainoastaan ​​uhkaa laitteen turvallisuutta, vaan heikentävät myös merkittävästi SiC:n suorituskykyetuja. Suuritiheyksiset laminoidut virtakiskot ovat tärkein rakenteellinen ratkaisu tämän pullonkaulan korjaamiseen. Tämä artikkeli selittää, miksi laminoidut kiskot voivat vähentää induktanssia ja kuinka ne valitaan käytännön sovelluksissa.

I. Vaikka SiC-laitteet ovat nopeampia, hajainduktanssista tulee suuri este.

SiC MOSFETit vaihtuvat yli kymmenen kertaa nopeammin kuin piilaitteet, mikä johtaa korkeampaan tehotiheyteen ja hyötysuhteeseen. Kolikon toinen puoli on kuitenkin se, että nopeampi kytkentä johtaa suurempaan virran muutosnopeuteen (di/dt). Kaavan V=L × di/dt mukaan jopa muutaman nanohenrien hajainduktanssi voi aiheuttaa satojen volttien jännitepiikkejä laitteen yli. Nämä piikit asettuvat väyläjännitteen päälle, ja jos ne ylittävät laitteen kestojänniterajan, ne hajoavat ja palavat.

Ongelmallisempaa on se, että hajainduktanssi voi myös resonoida piikarbidilaitteiden lähtökapasitanssin kanssa ja aiheuttaa korkeataajuisia värähtelyjä (soittoääniä). Tämä värähtely lisää kytkentähäviöitä ja aiheuttaa laitteen lämpenemisen ja aiheuttaa myös vakavia sähkömagneettisia häiriöitä, jotka estävät järjestelmää läpäisemästä EMC-sertifiointia. Turvallisuussyistä insinöörit joutuvat usein tekemään kompromisseja: joko valitsevat moduulit, joilla on korkeampi kestojännite (nousevat kustannukset ja häviöt) tai lisäävät portin vastusta kytkentänopeuden hidastamiseksi (siiC:n korkean -taajuuden edun hukkaaminen). Kolmikerroksisten laminoitujen virtakiskojen ilmaantuminen pyrkii poistamaan tämän ongelman rakenteellisella tasolla.

II. Miksi laminoitu virtakisko suuressa-tehomuuntimessa vähentää induktanssia?

Perinteisissä virtakiskoissa on kaksi erillistä johdinta, joiden myötä- ja vastavirta ovat kaukana toisistaan. Niiden tuottamat magneettikentät eivät voi kumota toisiaan, mikä johtaa korkeaan hajainduktanssiin. Laminoidun virtakiskon perusideana suuressa-tehomuuntimessa on pinota etu- ja taaksepäin johtimet yhteen, jolloin ne kulkevat hyvin lähellä toisiaan. Virtojen suunnat ovat vastakkaiset ja magneettikentän suunnat ovat myös vastakkaiset; kaksi magneettikenttää kumoavat toisensa ja vähentävät hajainduktanssin kymmenesosaan tai jopa pienemmäksi perinteisistä ratkaisuista.

Tuoteluokittelun näkökulmasta laminoidut virtakiskot eivät ole tavallisia sähköä johtavia kiskoja, vaan passiivisia tehokomponentteja, joilla on tarkasti suunniteltu rakenne. Kerrosten lukumäärästä riippuen yleiset rakenteet sisältävät kolme, neljä tai jopa viisi kerrosta. Mitä enemmän kerroksia, sitä kompaktimpi virtatie on ja sitä pienempi induktanssi. Invertterin keskeisenä liitäntäkomponenttina sen induktanssiarvo määrittää suoraan koko taajuusmuuttajan dynaamisen suorituskyvyn ylärajan.

III. Kuinka valita laminoidut väyläkiskot erilaisiin käyttöskenaarioihin?

Valinnan peruslogiikka on: huomioi ensin jännitetaso, sitten virtakapasiteetti ja lopuksi asennustila.

Uudet energiaajoneuvot ovat tällä hetkellä nopeimmin{0}}kasvava sovellusalue lampinoitujen kiskokiskojen osalta. Sähköautojen laminoitujen virtakiskojen on kuljettava satojen ampeerien virta erittäin pienessä tilassa ja täytettävä samalla autoteollisuuden -värähtely- ja lämpötilavaihteluvaatimukset. Ne käyttävät tyypillisesti monikerroksisia komposiittirakenteita tasapainottamaan matalaa induktanssia ja korkeaa luotettavuutta.

Rautateiden kauttakulkualalla on erittäin korkeat turvallisuusvaatimukset. Metrolaminoitujen virtakiskojen on täytettävä tiukat räjähdys---, palo--- ja korroosiosuojaus-standardit, samalla kun ne hallitsevat sähkömagneettisia häiriöitä maanalaisten tunnelien suljetussa ympäristössä. Siksi usein valitaan tuotteita, joissa on suojaava rakenne, kuten High Voltage Explosion{5}}Proof Invertter -kiskot.

Monimutkaisissa topologioissa, kuten kolmi{0}}tason inverttereissä, kolmen-tason invertterien lambinoitujen virtakiskojen on integroitava useita positiivisia ja negatiivisia väyliä samaan virtakiskoon, mikä lisää rakenteellista monimutkaisuutta ja tiukempia vaatimuksia kerrosten väliselle eristys- ja kohdistustarkkuudelle. Laminoidut virtakiskot monimutkaisiin virtakiskoasennuksiin on suunniteltu teollisiin taajuusmuuttajiin, energian varastointijärjestelmiin ja muihin sovelluksiin, ja ne tukevat räätälöityjä monihaaraisia ​​malleja.