Laminált gyűjtősínek kóbor induktivitás optimalizálási útmutató: Hogyan lehet csökkenteni a feszültségcsúcsokat és a kapcsolási veszteségeket SiC inverterekben

A teljesítményelektronikai rendszerek hagyományos szilícium IGBT-ről szilícium-karbid (SiC) eszközökre való átállása során fokozatosan megjelent egy kulcskérdés: a SiC-eszközök rendkívül gyors kapcsolási sebességgel rendelkeznek, de a rendszerben lévő szórt induktivitás erősen hátráltathatja a teljesítményt. A szórt induktivitás okozta feszültségcsúcsok és{1}}nagyfrekvenciás oszcillációk nemcsak az eszköz biztonságát veszélyeztetik, hanem jelentősen csökkentik a SiC teljesítményelőnyeit is. A nagy-sűrűségű laminált gyűjtősínek jelentik az alapvető szerkezeti megoldást ennek a szűk keresztmetszetnek a kezelésére. Ez a cikk elmagyarázza, hogy a laminált gyűjtősínek miért csökkenthetik az induktivitást, és hogyan kell kiválasztani őket a gyakorlati alkalmazásokban.

I. Míg a SiC eszközök gyorsabbak, a szórt induktivitás jelentős akadályt jelent.

A SiC MOSFET-ek több mint tízszer gyorsabban kapcsolnak, mint a szilícium eszközök, ami nagyobb teljesítménysűrűséget és hatékonyságot eredményez. Az érem másik oldala azonban az, hogy a gyorsabb kapcsolás nagyobb sebességváltozáshoz vezet (di/dt). A V=L × di/dt képlet szerint még néhány nanohenries szórt induktivitás is több száz voltos feszültségcsúcsokat generálhat az eszközön. Ezek a tüskék a busz feszültségére helyezkednek el, és ha túllépik a készülék feszültségállósági határát, letörnek és kiégnek.

Problémásabb, hogy a szórt induktivitás a SiC-eszközök kimeneti kapacitásával is rezonálhat, és nagy{0}}frekvenciás oszcillációkat (csengetést) generál. Ez az oszcilláció növeli a kapcsolási veszteségeket és az eszköz felmelegedését okozza, valamint súlyos elektromágneses interferenciát generál, ami megakadályozza, hogy a rendszer átmenjen az EMC-tanúsítványon. A biztonság érdekében a mérnököknek gyakran kompromisszumot kell kötniük: vagy nagyobb ellenállási feszültségű modulokat választanak (növekvő költség és veszteség), vagy növelik a kapu ellenállását, hogy lelassítsák a kapcsolási sebességet (közvetlenül elvesztegetve a SiC magas-frekvenciás előnyét). A háromrétegű laminált gyűjtősínek megjelenése ezt a problémát szerkezeti szinten kívánja felszámolni.

II. Miért csökkenti az induktivitást egy nagy teljesítményű{1}}átalakítóban lévő laminált gyűjtősín?

A hagyományos gyűjtősínek két különálló vezetővel rendelkeznek, amelyeken az előremenő és a fordított áramok távol vannak egymástól. Az általuk generált mágneses mezők nem tudják kioltani egymást, ami nagy szórt induktivitást eredményez. A nagy teljesítményű konverterben lévő laminált gyűjtősín alapötlete az, hogy az előremenő és a hátrameneti vezetőket egymásra helyezzék, így nagyon közel futnak egymáshoz. Az áram irányai ellentétesek, és a mágneses tér irányai is ellentétesek; a két mágneses mező kioltja egymást, és a szórt induktivitást a hagyományos megoldások egytizedére vagy még kevesebbre csökkenti.

A termékbesorolás szempontjából a laminált gyűjtősínek nem közönséges vezetősínek, hanem passzív teljesítményelemek, pontosan megtervezett szerkezettel. A rétegek számától függően a gyakori szerkezetek három, négy vagy akár öt rétegből állnak. Minél több réteg van, annál tömörebb az áramút és annál kisebb az induktivitás. Az inverter kulcsfontosságú csatlakozóelemeként az induktivitás értéke közvetlenül meghatározza a teljes inverter dinamikus teljesítményének felső határát.

III. Hogyan válasszunk laminált buszsíneket különböző alkalmazási forgatókönyvekhez?

A kiválasztás alapvető logikája: először a feszültségszintet, majd az áramkapacitást és végül a telepítési helyet vegye figyelembe.

Az új energetikai járművek jelenleg a leggyorsabban{0}}növekvő alkalmazási terület a lambinált buszsínek számára. Az elektromos autók laminált sínekjeinek több száz amper áramot kell szállítaniuk nagyon kis helyen, miközben meg kell felelniük az autóipari -vibrációs és hőmérséklet-ciklusra vonatkozó követelményeknek. Általában több-rétegű kompozit szerkezeteket alkalmaznak az alacsony induktivitás és a nagy megbízhatóság egyensúlyára.

A vasúti tranzit szektor rendkívül magas biztonsági követelményekkel rendelkezik. A metró lambinált gyűjtősíneknek meg kell felelniük a robbanás---, tűz--- és korrózióálló-védelemre vonatkozó szigorú szabványoknak, miközben ellenőrizni kell az elektromágneses interferenciát a földalatti alagutak zárt környezetében. Ezért gyakran választanak olyan védőfelépítésű termékeket, mint a nagyfeszültségű robbanásbiztos{5}}inverter gyűjtősín.

Az összetett topológiák, például a három-szintű inverterek esetében a három-szintű inverterek lambinált gyűjtősínjeinek több pozitív és negatív buszt kell integrálniuk egyetlen gyűjtősínen belül, ami nagyobb szerkezeti összetettséget és szigorúbb követelményeket támaszt a rétegközi szigeteléssel és az igazítási pontossággal kapcsolatban. A komplex gyűjtősín-telepítésekhez használható laminált gyűjtősíneket ipari frekvenciaváltókhoz, energiatároló rendszerekhez és egyéb alkalmazásokhoz tervezték, és támogatják a testreszabott több-ági kialakításokat.