Laminētas kopnes Izkliedētās induktivitātes optimizācijas rokasgrāmata: kā samazināt sprieguma tapas un pārslēgšanas zudumus SiC invertoros

Pārejot no jaudas elektroniskajām sistēmām no tradicionālajām silīcija IGBT uz silīcija karbīda (SiC) ierīcēm, pakāpeniski ir parādījusies galvenā problēma: SiC ierīcēm ir ārkārtīgi ātrs pārslēgšanās ātrums, bet izkliedētā induktivitāte sistēmā var nopietni kavēt veiktspēju. Sprieguma lēcieni un augstas-frekvences svārstības, ko izraisa izkliedēta induktivitāte, ne tikai apdraud ierīces drošību, bet arī ievērojami samazina SiC veiktspējas priekšrocības. Augsta-blīvuma laminētas kopnes ir galvenais strukturālais risinājums, lai novērstu šo vājo vietu. Šajā rakstā tiks paskaidrots, kāpēc laminētas kopnes var samazināt induktivitāti un kā tās izvēlēties praktiskā pielietojumā.

I. Lai gan SiC ierīces ir ātrākas, izkliedētā induktivitāte kļūst par galveno šķērsli.

SiC MOSFET pārslēdzas ar ātrumu vairāk nekā desmit reizes ātrāk nekā silīcija ierīces, tādējādi nodrošinot lielāku jaudas blīvumu un efektivitāti. Tomēr monētas otra puse ir tāda, ka ātrāka pārslēgšana nodrošina lielāku strāvas izmaiņu ātrumu (di/dt). Saskaņā ar formulu V=L × di/dt, pat tikai dažu nanohenriju izkliedētā induktivitāte var radīt simtiem voltu sprieguma pieaugumu visā ierīcē. Šie tapas atrodas uz kopnes sprieguma, un, ja tie pārsniedz ierīces izturības sprieguma robežu, tie sabojājas un izdegs.

Daudz problemātiskāka ir tā, ka izkliedētā induktivitāte var arī rezonēt ar SiC ierīču izejas kapacitāti, radot augstas{0}}frekvences svārstības (zvana signālus). Šīs svārstības palielina pārslēgšanas zudumus un izraisa ierīces uzkaršanu, kā arī rada nopietnus elektromagnētiskus traucējumus, kas neļauj sistēmai izturēt EMC sertifikātu. Drošības nolūkos inženieriem bieži nākas piekāpties: vai nu izvēlēties moduļus ar lielāku pretestības spriegumu (palielinās izmaksas un zudumi), vai palielināt aizbīdņu pretestību, lai palēninātu pārslēgšanās ātrumu (tieši izšķērdējot SiC augstās -frekvences priekšrocības). Trīsslāņu laminētu kopņu parādīšanās mērķis ir novērst šo problēmu strukturālā līmenī.

II. Kāpēc laminēta kopne lielas-jaudas pārveidotājā samazina induktivitāti?

Tradicionālajām kopnēm ir divi atsevišķi vadi ar priekšējo un atpakaļgaitas strāvu tālu viena no otras. To radītie magnētiskie lauki nevar izslēgt viens otru, kā rezultātā rodas liela izkliedes induktivitāte. Lieljaudas pārveidotājā esošās laminētas kopnes galvenā ideja ir salikt kopā priekšējos un atpakaļgaitas vadītājus, padarot tos ļoti tuvu viens otram. Strāvas virzieni ir pretēji, un arī magnētiskā lauka virzieni ir pretēji; abi magnētiskie lauki dzēš viens otru, samazinot izkliedēto induktivitāti līdz vienai -desmitajai daļai vai pat mazāk nekā tradicionālajiem risinājumiem.

No produktu klasifikācijas viedokļa laminētās kopnes nav parastas vadošas kopnes, bet gan pasīvas jaudas sastāvdaļas ar precīzi izstrādātu struktūru. Atkarībā no slāņu skaita kopējās struktūras ietver trīs, četrus vai pat piecus slāņus. Jo vairāk slāņu, jo kompaktāks ir strāvas ceļš un mazāka induktivitāte. Tā kā invertora galvenā savienojuma sastāvdaļa tā induktivitātes vērtība tieši nosaka visa invertora dinamiskās veiktspējas augšējo robežu.

III. Kā izvēlēties laminētas kopnes stieņus dažādiem pielietojuma scenārijiem?

Galvenā izvēles loģika ir šāda: vispirms apsveriet sprieguma līmeni, pēc tam strāvas jaudu un, visbeidzot, uzstādīšanas vietu.

Jauni enerģētiskie transportlīdzekļi pašlaik ir visstraujāk{0}}pieaugošā pielietojuma joma lambinētām kopnēm. Laminētajām kopnēm, kas paredzētas elektriskajām automašīnām, ir jāpārnes simtiem ampēru strāva ļoti mazā telpā, vienlaikus ievērojot automobiļu -vibrācijas un temperatūras cikla prasības. Tie parasti izmanto daudzslāņu saliktas struktūras, lai līdzsvarotu zemo induktivitāti un augstu uzticamību.

Dzelzceļa tranzīta nozarē ir ārkārtīgi augstas drošības prasības. Metro izolētajām kopnēm ir jāatbilst stingriem sprādziendrošas, ugunsdrošas un pretkorozijas aizsardzības standartiem, vienlaikus kontrolējot elektromagnētiskos traucējumus slēgtajā pazemes tuneļu vidē. Tāpēc bieži tiek izvēlēti izstrādājumi ar aizsargājošu dizainu, piemēram, augstsprieguma -drošas invertora kopnes.

Sarežģītām topoloģijām, piemēram, trīs{0}}līmeņu invertoriem, trīs-līmeņu invertoriem paredzētajām kopnēm ir jāintegrē vairākas pozitīvas un negatīvas kopnes vienā kopnē, kā rezultātā palielinās struktūras sarežģītība un stingrākas prasības attiecībā uz starpslāņu izolāciju un izlīdzināšanas precizitāti. Laminētas kopnes sarežģītām kopņu instalācijām ir paredzētas rūpnieciskiem frekvences pārveidotājiem, enerģijas uzkrāšanas sistēmām un citām lietojumprogrammām, un tās atbalsta pielāgotus daudznozaru dizainus.