Designprinciper för låg-stray-induktans hög-Densitet staplade samlingsskenor och analys av deras tillämpning i hög-elektroniska system med hög effekt

 

Driven av framsteg inom nya energifordon, energilagringssystem, järnvägstransporter, industriell automation och teknik för smarta nät, utvecklas elektronisk utrustning med hög-effekt mot högre spänningar, högre frekvenser och högre effekttätheter. I denna process ersätter nästa-generations breda-bandgap halvledarenheter-exempelvis kiselkarbid (SiC)- gradvis traditionella kisel-baserade IGBT, vilket fungerar som en viktig teknisk väg för att förbättra systemeffektiviteten och minska utrustningens storlek.

 

Jämfört med traditionella kiselmaterial erbjuder SiC-halvledare ett bredare bandgap, ett högre kritiskt elektriskt fält, lägre ledningsförluster och överlägsen prestanda vid hög- temperatur. Dessa fördelar gör det möjligt för SiC MOSFETs att arbeta vid högre switchfrekvenser samtidigt som de tillåter nedskärning av magnetiska komponenter och termiska ledningsstrukturer, vilket ökar den totala effekttätheten.

 

Men höghastighetsväxlingsfunktioner introducerar också nya tekniska utmaningar. När omkopplingshastigheten för kraftenheter ökar, ökar hastigheten för strömändring (di/dt) och spänning (dv/dt) avsevärt. Under dessa förhållanden utövar oundvikliga parasitparametrar inom kraftslingan-framför allt ströinduktans-en betydande inverkan på systemets prestanda.

 

Under hög-växling genererar ströinduktans transienta spänningstoppar i enlighet med förhållandet:

 

V=L × di/dt

 

När strömmen ändras snabbt kan till och med en liten mängd ströinduktans ge spänningsöverskridningar på tiotals volt eller mer. Dessa transienta spänningar ökar inte bara spänningsspänningen på kraftenheter utan kan också föra enheter utanför deras Safe Operating Area (SOA), och därigenom äventyra systemets tillförlitlighet.

 

Följaktligen, i moderna-högeffektomvandlingssystem, har minimering av strömslingeinduktans blivit ett kritiskt designmål för att förbättra effektiviteten, förbättra prestanda för elektromagnetisk interferens (EMI) och säkerställa säker drift av halvledarenheter.

 

 

 

Stray induktans är inte en parameter som genereras av en enda, diskret komponent; snarare är det resultatet av den samlade geometrin för hela strömslingan. Det härrör i första hand från induktansen hos själva ledarna, såväl som från anslutningsplintar, kablar, PCB-spår, interna kraftmodulförpackningar och sammankopplingsstrukturer för samlingsskenorna.

 

I traditionella kraftsystem som använder vanliga kopparskenor eller ledningsnät, finns det ofta betydande rumslig separation mellan de positiva och negativa strömbanorna, vilket ökar arean av strömslingan. Enligt principerna för elektromagnetism, desto större slingarea, desto bredare intervall för det genererade magnetfältet, och desto högre är motsvarande parasitiska induktans.

 

I högfrekventa kraftelektroniksystem flyter ström inte bara längs en ledares längd; istället skapar det en komplex elektromagnetisk fältfördelning i det omgivande rummet. Därför ligger nyckeln till att minska strökinduktansen inte bara i att öka tjockleken på kopparsamlingsskenan, utan i att optimera strömbanan -som bringar de positiva och negativa kretsslingorna så nära varandra som möjligt och minimerar de områden där magnetfältsenergi lagras.

 

Detta är den främsta anledningen till att laminerade samlingsskenor med hög-densitet används så ofta.

 

 

En laminerad samlingsskena är en högpresterande kraftsammankopplingsstruktur som bildas genom att kombinera flera lager av ledande material med isolerande media. Vanligtvis har den mycket ledande material-som koppar eller aluminium-som ledarskikt, åtskilda av isolerande material som erbjuder utmärkt dielektrisk styrka och mekanisk stabilitet; hela enheten är sammanfogad till en enhetlig struktur genom processer som varmpressning, limning eller laminering.

 

Jämfört med traditionella enkelskikts-kopparskenor är den största fördelen med den laminerade strukturen dess förmåga att uppnå en hög grad av överlappning mellan de positiva och negativa strömbanorna.

 

När strömmar som flyter i motsatta riktningar passerar genom intilliggande ledare gäller principen om elektromagnetisk fältavstängning: de magnetiska fälten som genereras av de två strömmarna motsätter sig varandra, vilket effektivt minskar det totala magnetiska flödet som produceras av strömslingan och sänker därmed systemets ekvivalenta induktans.

 

Följaktligen är en laminerad samlingsskena mer än bara en mekanisk anslutningskomponent; det är en kritisk elektromagnetisk struktur som påverkar den dynamiska prestandan hos kraftelektroniksystem.

 

I hög-strömriktare, energilagringsomvandlare och industriell strömförsörjningsutrustning har design med låg-induktans blivit ett nyckelmått för att optimera samlingsskenors strukturer. Till exempel kräver vissa höghastighetsomkopplingsapplikationer specialdesignade laminerade samlingsskenor-som de som används i frekvensomriktare (VFD)-för att uppfylla systemets krav på snabb respons och låg-förlustdrift.

 

 

 

I takt med att integrationsnivån för elektronisk utrustning ökar har laminerade samlingsskenor expanderat bortom traditionella industriella strömförsörjningssektorer till olika hög-applikationsområden.

 

Till exempel kräver kraftsystem i servrar, telekommunikationsutrustning och datacenter mycket tillförlitliga kraftdistributionsstrukturer för att minimera överföringsförluster. Följaktligen används laminerade samlingsskenor i hög-beräkningsutrustning-som i superdatorkretskort eller bakplan-för att säkerställa stabil kraftleverans för hög-beräkningsplattformar.

 

Inom telekommunikationsinfrastrukturen kräver hög-basstationsutrustning också kompakta, effektiva lösningar för strömanslutningar. laminerade samlingsskenor uppfyller effektivt begränsningarna vad gäller utrymme och behovet av kontinuerlig drift i cellulär basstations kraftdistribution.

 

I storskaliga kraftsystem används dessutom laminerade samlingsskenor i modulära kraftarkitekturer-som iPower Distribution Unit (PDU) samlingsskenastrukturer-för att underlätta anslutningar med låg-förlust mellan flera kraftmoduler och förbättra systemets övergripande tillförlitlighet.