Designprinsipper for lav-strø-induktans høy-tetthetsstablede samleskinner og analyse av deres anvendelse i elektroniske systemer med høy-effekt

 

Drevet av fremskritt innen nye energikjøretøyer, energilagringssystemer, jernbanetransport, industriell automasjon og smarte nettteknologier, utvikler elektronisk utstyr med høy-effekt seg mot høyere spenninger, høyere frekvenser og høyere effekttettheter. I denne prosessen erstatter neste-generasjons brede-båndgap halvlederenheter-eksempelt ved silisiumkarbid (SiC)- gradvis tradisjonelle silisium-baserte IGBT-er, og fungerer som en viktig teknologisk vei for å forbedre systemeffektiviteten og redusere utstyrsstørrelsen.

 

Sammenlignet med tradisjonelle silisiummaterialer tilbyr SiC-halvledere et bredere båndgap, et høyere kritisk elektrisk felt, lavere ledningstap og overlegen høy{{0}temperaturytelse. Disse fordelene gjør det mulig for SiC MOSFET-er å operere ved høyere svitsjefrekvenser, samtidig som de tillater neddimensjonering av magnetiske komponenter og termiske styringsstrukturer, og øker dermed den totale effekttettheten.

 

Imidlertid introduserer funksjoner for høy-bytte også nye tekniske utfordringer. Etter hvert som koblingshastigheten til kraftenheter øker, øker hastigheten for strømendring (di/dt) og spenning (dv/dt) betydelig. Under disse forholdene vil uunngåelige parasittiske parametere i strømsløyfen-særlig strøinduktans-øve en betydelig innvirkning på systemytelsen.

 

Under høy-svitsjing genererer strøinduktans transiente spenningstopper i samsvar med forholdet:

 

V=L × di/dt

 

Når strømmen endres raskt, kan til og med en liten mengde strøinduktans gi spenningsoverskridelser på titalls volt eller mer. Disse transiente spenningene øker ikke bare spenningsbelastningen på strømenheter, men kan også presse enheter utover deres Safe Operating Area (SOA), og dermed kompromittere systemets pålitelighet.

 

Følgelig, i moderne høy-effektkonverteringssystemer, har minimering av strømsløyfe-induktans blitt et kritisk designmål for å øke effektiviteten, forbedre ytelsen til elektromagnetisk interferens (EMI) og sikre sikker drift av halvlederenheter.

 

 

 

Stray induktans er ikke en parameter generert av en enkelt, diskret komponent; snarere er det resultatet av den kollektive geometrien til hele strømsløyfen. Det oppstår først og fremst fra induktansen til selve lederne, så vel som fra tilkoblingsklemmer, kabler, PCB-spor, intern strømmodulemballasje og samleskinnestrukturer.

 

I tradisjonelle kraftsystemer som bruker standard kobberskinner eller ledningsnett, er det ofte betydelig romlig separasjon mellom de positive og negative strømbanene, noe som øker arealet av strømsløyfen. I henhold til prinsippene for elektromagnetisme, jo større sløyfearealet er, jo bredere rekkevidde av det genererte magnetfeltet, og jo høyere er den tilsvarende parasittiske induktansen.

 

I høyfrekvente kraftelektroniske systemer flyter ikke strømmen bare langs en leders lengde. i stedet skaper det en kompleks elektromagnetisk feltfordeling i hele det omkringliggende rommet. Derfor ligger nøkkelen til å redusere strøinduktansen ikke bare i å øke tykkelsen på kobberskinnen, men i å optimalisere strømbanen -som bringer de positive og negative kretsløkkene så tett sammen som mulig og minimerer områdene der magnetfeltenergi er lagret.

 

Dette er hovedårsaken til at laminerte samleskinner med høy-tetthet er så mye brukt.

 

 

En laminert samleskinne er en-kraftsammenkoblingsstruktur med høy ytelse dannet ved å kombinere flere lag med ledende materiale med isolerende medier. Vanligvis har den svært ledende materialer-som kobber eller aluminium-som lederlagene, atskilt av isolasjonsmaterialer som tilbyr utmerket dielektrisk styrke og mekanisk stabilitet; hele enheten er bundet til en enhetlig struktur gjennom prosesser som varmpressing, liming eller laminering.

 

Sammenlignet med tradisjonelle enkeltlags-kobbersamleskinner, er den største fordelen med den laminerte strukturen dens evne til å oppnå en høy grad av overlapping mellom de positive og negative strømbanene.

 

Når strømmer som flyter i motsatte retninger passerer gjennom tilstøtende ledere, gjelder prinsippet om elektromagnetisk feltkansellering: magnetfeltene som genereres av de to strømmene motsetter hverandre, og reduserer effektivt den totale magnetiske fluksen som produseres av strømsløyfen og reduserer dermed systemets ekvivalente induktans.

 

Følgelig er en laminert samleskinne mer enn bare en mekanisk koblingskomponent; det er en kritisk elektromagnetisk struktur som påvirker den dynamiske ytelsen til kraftelektroniske systemer.

 

I høy-omformere, energilagringsomformere og industrielt strømforsyningsutstyr har design med lav-induktans blitt en nøkkelverdi for å optimalisere samleskinnestrukturer. For eksempel krever visse høyhastighetssvitsjeapplikasjoner spesialdesignede laminerte samleskinner-som de som brukes i frekvensomformere (VFD-er)-for å møte systemets krav til rask respons og lav-drift.

 

 

 

Etter hvert som integreringsnivået til elektronisk utstyr øker, har laminerte samleskinner utvidet seg utover tradisjonelle industrielle strømforsyningssektorer til ulike bruksområder med høy-effekt.

 

For eksempel krever kraftsystemer i servere, telekommunikasjonsutstyr og datasentre svært pålitelige kraftdistribusjonsstrukturer for å minimere overføringstap. Følgelig brukes laminerte samleskinner i høy-tetthetsdatabehandlingsutstyr-som i superdatamaskinkretskort eller bakplan-for å sikre stabil strømforsyning for høy-databehandlingsplattformer.

 

Innenfor telekommunikasjonsinfrastruktur krever-basestasjonsutstyr med høy kraft også kompakte, effektive strømtilkoblingsløsninger. laminerte samleskinner oppfyller effektivt begrensningene med hensyn til plass og behovet for kontinuerlig drift i kraftdistribusjon for cellulær basestasjon.

 

Dessuten, i kraftsystemer i stor skala, brukes laminerte samleskinner i modulære kraftarkitekturer-som iStrømfordelingsenhet (PDU) samleskinnestrukturer-for å legge til rette for tilkoblinger med lavt-tap mellom flere strømmoduler og forbedre den generelle systemets pålitelighet.