Zemas-izkliedētās-induktivitātes-augsta blīvuma kopņu projektēšanas principi un to pielietojuma analīze lieljaudas-elektroniskajās sistēmās

 

Pateicoties jaunu enerģijas transportlīdzekļu, enerģijas uzglabāšanas sistēmu, dzelzceļa transporta, rūpnieciskās automatizācijas un viedtīklu tehnoloģiju attīstībai, lielas jaudas{0}}elektroniskās iekārtas attīstās, lai iegūtu augstāku spriegumu, augstākas frekvences un lielāku jaudas blīvumu. Šajā procesā nākamās -paaudzes platjoslas-pusvadītāju ierīces-, piemēram, silīcija karbīds (SiC)-pamazām aizstāj tradicionālos silīcija-bāzētos IGBT, kas kalpo kā galvenais tehnoloģiskais ceļš sistēmas efektivitātes uzlabošanai un aprīkojuma izmēra samazināšanai.

 

Salīdzinot ar tradicionālajiem silīcija materiāliem, SiC pusvadītāji piedāvā plašāku joslas atstarpi, augstāku kritisko elektrisko lauku, mazākus vadītspējas zudumus un izcilu veiktspēju augstā{0}}temperatūrā. Šīs priekšrocības ļauj SiC MOSFET darboties augstākās pārslēgšanas frekvencēs, vienlaikus ļaujot samazināt magnētisko komponentu un siltuma pārvaldības struktūras, tādējādi palielinot kopējo jaudas blīvumu.

 

Tomēr ātrdarbīgas{0}}pārslēgšanas iespējas rada arī jaunas inženierijas problēmas. Palielinoties jaudas ierīču pārslēgšanas ātrumam, ievērojami palielinās strāvas izmaiņu (di/dt) un sprieguma (dv/dt) ātrumi. Šādos apstākļos neizbēgami parazitārie parametri strāvas cilpā -īpaši izkliedētā induktivitāte- būtiski ietekmē sistēmas veiktspēju.

 

Liela ātruma{0}}pārslēgšanas laikā izkliedētā induktivitāte rada pārejošus sprieguma lēcienus saskaņā ar attiecību:

 

V=L × di/dt

 

Kad strāva strauji mainās, pat neliela izkliedētā induktivitāte var izraisīt sprieguma pārsniegumus par desmitiem voltu vai vairāk. Šie pārejošie spriegumi ne tikai palielina strāvas ierīču sprieguma spriegumu, bet arī var izspiest ierīces ārpus to drošās darbības zonas (SOA), tādējādi apdraudot sistēmas uzticamību.

 

Līdz ar to mūsdienu lielas jaudas{0}}pārveidošanas sistēmās jaudas cilpas izkliedētās induktivitātes samazināšana ir kļuvusi par būtisku dizaina mērķi, lai uzlabotu efektivitāti, uzlabotu elektromagnētisko traucējumu (EMI) veiktspēju un nodrošinātu pusvadītāju ierīču drošu darbību.

 

 

 

Izkliedētā induktivitāte nav parametrs, ko ģenerē viens, diskrēts komponents; drīzāk tas ir visas strāvas cilpas kolektīvās ģeometrijas rezultāts. Tas galvenokārt rodas no pašu vadītāju induktivitātes, kā arī no pieslēguma spailēm, kabeļiem, PCB trasēm, iekšējā jaudas moduļa iepakojuma un kopņu starpsavienojumu konstrukcijām.

 

Tradicionālajās energosistēmās, kurās tiek izmantotas standarta vara kopnes vai vadu instalācijas, bieži vien ir ievērojama telpiskā atdalīšana starp pozitīvo un negatīvo strāvas ceļiem, kas palielina strāvas cilpas laukumu. Saskaņā ar elektromagnētisma principiem, jo ​​lielāks ir cilpas laukums, jo plašāks ir radītā magnētiskā lauka diapazons un lielāka atbilstošā parazitārā induktivitāte.

 

Augstfrekvences-elektroniskās sistēmās strāva neplūst vienkārši pa vadītāja garumu; tā vietā tas rada sarežģītu elektromagnētiskā lauka sadalījumu apkārtējā telpā. Tāpēc izkliedētās induktivitātes samazināšanas atslēga ir ne tikai palielināt vara kopnes biezumu, bet arī optimizēt strāvas ceļu, -tuvinot pozitīvās un negatīvās ķēdes cilpas pēc iespējas tuvāk viena otrai un samazinot apgabalus, kuros tiek glabāta magnētiskā lauka enerģija.

 

Tas ir galvenais iemesls, kāpēc augsta blīvuma{0}}laminātās kopnes tiek tik plaši izmantotas.

 

 

Laminēta kopne ir augstas veiktspējas{0}}strāvas savienojuma struktūra, kas izveidota, apvienojot vairākus vadoša materiāla slāņus ar izolācijas materiālu. Parasti tajā ir augstas vadītspējas materiāli,-piemēram, varš vai alumīnijs-, kas ir atdalīti ar izolācijas materiāliem, kas nodrošina izcilu dielektrisko izturību un mehānisko stabilitāti; viss komplekts ir savienots vienotā struktūrā, izmantojot tādus procesus kā karstā presēšana, līmēšana vai laminēšana.

 

Salīdzinājumā ar tradicionālajām viena slāņa vara kopnēm, laminētās struktūras lielākā priekšrocība ir spēja panākt augstu pozitīvās un negatīvās strāvas ceļu pārklāšanos.

 

Kad strāvas, kas plūst pretējos virzienos, iet caur blakus esošajiem vadītājiem, tiek piemērots elektromagnētiskā lauka atcelšanas princips: abu strāvu radītie magnētiskie lauki atrodas viens pret otru, efektīvi samazinot strāvas cilpas radīto kopējo magnētisko plūsmu un tādējādi pazeminot sistēmas ekvivalento induktivitāti.

 

Līdz ar to laminētā kopne ir vairāk nekā tikai mehāniska savienojuma sastāvdaļa; tā ir kritiska elektromagnētiskā struktūra, kas ietekmē jaudas elektronisko sistēmu dinamisko veiktspēju.

 

Lieljaudas{0}}invertoros, enerģijas uzkrāšanas pārveidotājos un rūpnieciskās barošanas avota iekārtās zemas-induktivitātes dizains ir kļuvis par galveno rādītāju kopņu konstrukciju optimizēšanai. Piemēram, dažām ātrgaitas{3}}pārslēgšanas lietojumprogrammām ir nepieciešamas īpaši izstrādātas laminētas kopnes,{4}}piemēram, tās, ko izmanto mainīgas frekvences piedziņās (VFD),{5}}lai atbilstu sistēmas prasībām attiecībā uz ātru reakciju un zemu{6}}zaudējumu darbību.

 

 

 

Palielinoties elektronisko iekārtu integrācijas līmenim, laminētās kopnes ir izvērsušās ārpus tradicionālās rūpnieciskās barošanas avota nozarēm dažādās lielas{0}}jaudas lietojuma jomās.

 

Piemēram, energosistēmām serveros, telekomunikāciju iekārtās un datu centros ir nepieciešamas ļoti uzticamas elektroenerģijas sadales struktūras, lai samazinātu pārraides zudumus. Attiecīgi laminētas kopnes tiek izmantotas augsta-blīvuma skaitļošanas iekārtās-, piemēram, superdatoru shēmas platēs vai aizmugures platēs-, lai nodrošinātu stabilu strāvas padevi ātrgaitas skaitļošanas platformām.

 

Telekomunikāciju infrastruktūras jomā lielas jaudas{0}}bāzes staciju iekārtām ir nepieciešami arī kompakti, efektīvi jaudas savienojuma risinājumi; laminētas kopnes efektīvi atbilst telpas ierobežojumiem un nepieciešamībai pēc nepārtrauktas darbības mobilo bāzes staciju jaudas sadalē.

 

Turklāt liela mēroga -enerģijas sistēmās laminētas kopnes tiek izmantotas modulārās barošanas arhitektūrās-, piemēram,Power Distribution Unit (PDU) kopnestruktūras,-lai atvieglotu zemu-zudumu savienojumus starp vairākiem barošanas moduļiem un uzlabotu sistēmas vispārējo uzticamību.