Poradnik optymalizacji indukcyjności błądzącej laminowanych szyn zbiorczych: Jak zmniejszyć skoki napięcia i straty przełączania w falownikach SiC

Podczas przechodzenia systemów energoelektronicznych z tradycyjnych krzemowych tranzystorów IGBT na urządzenia z węglika krzemu (SiC) stopniowo pojawiał się kluczowy problem: urządzenia SiC charakteryzują się niezwykle dużymi prędkościami przełączania, ale indukcyjność rozproszenia w systemie może poważnie pogorszyć wydajność. Skoki napięcia i oscylacje-o wysokiej częstotliwości spowodowane indukcyjnością rozproszenia nie tylko zagrażają bezpieczeństwu urządzenia, ale także znacznie zmniejszają zalety wydajnościowe SiC. Laminowane szyny zbiorcze o dużej-gęstości stanowią podstawowe rozwiązanie konstrukcyjne eliminujące to wąskie gardło. W tym artykule wyjaśniono, dlaczego laminowane szyny zbiorcze mogą zmniejszać indukcyjność i jak je wybrać w praktycznych zastosowaniach.

I. Choć urządzenia SiC są szybsze, główną przeszkodą staje się indukcyjność rozproszenia.

Tranzystory MOSFET SiC przełączają się z prędkością ponad dziesięciokrotnie większą niż urządzenia krzemowe, co skutkuje wyższą gęstością mocy i wydajnością. Jednak druga strona medalu jest taka, że ​​szybsze przełączanie prowadzi do większej szybkości zmian prądu (di/dt). Zgodnie ze wzorem V=L × di/dt nawet indukcyjność błądząca wynosząca zaledwie kilka nanohenrów może wygenerować w urządzeniu skoki napięcia o wartości setek woltów. Skoki te nakładają się na napięcie magistrali i jeśli przekroczą limit napięcia wytrzymywanego urządzenia, ulegną uszkodzeniu i spaleniu.

Bardziej problematyczny jest fakt, że indukcyjność rozproszenia może również rezonować z pojemnością wyjściową urządzeń SiC, generując-oscylacje o wysokiej częstotliwości (dzwonienie). Oscylacje te zwiększają straty przełączania i powodują nagrzewanie się urządzenia, a także generują poważne zakłócenia elektromagnetyczne, uniemożliwiające systemowi przejście certyfikatu EMC. Ze względów bezpieczeństwa inżynierowie często muszą pójść na kompromis: albo wybrać moduły o wyższym napięciu wytrzymywanym (co zwiększa koszty i straty), albo zwiększyć rezystancję bramki, aby spowolnić prędkość przełączania (bezpośrednio marnując przewagę-wysokiej częstotliwości, jaką zapewnia SiC). Pojawienie się trójwarstwowych-szyn zbiorczych ma na celu wyeliminowanie tego problemu na poziomie konstrukcyjnym.

II. Dlaczego laminowana szyna zbiorcza w przetwornicy-dużej mocy zmniejsza indukcyjność?

Tradycyjne szyny zbiorcze mają dwa oddzielne przewody, z prądami przewodzenia i wstecznymi znacznie oddalonymi od siebie. Wytwarzane przez nie pola magnetyczne nie mogą się wzajemnie znosić, co powoduje wysoką indukcyjność rozproszenia. Podstawową ideą laminowanej szyny zbiorczej w przetwornicy dużej-mocy jest ułożenie przewodów przedniego i zwrotnego razem, tak aby biegły bardzo blisko siebie. Kierunki prądu są przeciwne i kierunki pola magnetycznego również są przeciwne; te dwa pola magnetyczne znoszą się wzajemnie, redukując indukcyjność rozproszenia do jednej-lub nawet mniej tradycyjnych rozwiązań.

Z punktu widzenia klasyfikacji produktu laminowane szyny zbiorcze nie są zwykłymi szynami przewodzącymi, ale raczej pasywnymi elementami mocy o precyzyjnie zaprojektowanej konstrukcji. W zależności od liczby warstw, typowe struktury obejmują trzy, cztery lub nawet pięć warstw. Im więcej warstw, tym bardziej zwarta jest ścieżka prądu i mniejsza indukcyjność. Jako kluczowy element przyłączeniowy falownika, jego wartość indukcyjności bezpośrednio określa górną granicę wydajności dynamicznej całego falownika.

III. Jak wybrać laminowane szyny zbiorcze do różnych scenariuszy zastosowań?

Podstawowa logika wyboru jest następująca: najpierw należy wziąć pod uwagę poziom napięcia, następnie obciążalność prądową, a na końcu przestrzeń instalacyjną.

Pojazdy nowej generacji są obecnie{{0}najszybciej rozwijającym się obszarem zastosowań laminowanych szyn zbiorczych. Laminowane szyny zbiorcze do samochodów elektrycznych muszą przenosić prąd o natężeniu setek amperów na bardzo małej przestrzeni, spełniając jednocześnie wymagania dotyczące wibracji i cyklicznych temperatur klasy motoryzacyjnej. Zwykle wykorzystują wielo-warstwowe struktury kompozytowe, aby zrównoważyć niską indukcyjność i wysoką niezawodność.

Sektor transportu kolejowego ma niezwykle wysokie wymagania w zakresie bezpieczeństwa. Laminowane szyny zbiorcze metra muszą spełniać rygorystyczne normy w zakresie-odporności na eksplozję,-ognioodporność i ochronę przed korozją-, jednocześnie kontrolując zakłócenia elektromagnetyczne w zamkniętym środowisku podziemnych tuneli. Dlatego często wybierane są produkty z konstrukcjami zabezpieczającymi, takie jak szyny zbiorcze inwerterów wysokonapięciowych{{5}odporne na eksplozję.

W przypadku złożonych topologii, takich jak falowniki trzy-poziomowe, laminowane szyny zbiorcze do falowników trzy-poziomowych muszą integrować wiele szyn dodatnich i ujemnych w ramach jednej szyny zbiorczej, co skutkuje większą złożonością strukturalną i bardziej rygorystycznymi wymaganiami dotyczącymi izolacji międzywarstwowej i dokładności wyrównania. Laminowane szyny zbiorcze do złożonych instalacji szyn zbiorczych są przeznaczone do przemysłowych przetwornic częstotliwości, systemów magazynowania energii i innych zastosowań oraz obsługują niestandardowe projekty wielo-odgałęzień.