Laminerade samlingsskenor Stray Inductance Optimization Guide: Hur man minskar spänningsspikar och kopplingsförluster i SiC-växelriktare

I övergången av kraftelektroniska system från traditionella kisel-IGBT-enheter till kiselkarbidenheter (SiC) har en nyckelfråga gradvis dykt upp: SiC-enheter har extremt snabba omkopplingshastigheter, men strökinduktans i systemet kan allvarligt hindra prestanda. Spänningsspikar och hög-oscillationer orsakade av ströinduktans hotar inte bara enhetens säkerhet utan minskar också avsevärt prestandafördelarna med SiC. Laminerade samlingsskenor med hög-densitet är den centrala strukturella lösningen för att åtgärda denna flaskhals. Den här artikeln kommer att förklara varför laminerade samlingsskenor kan minska induktansen och hur man väljer dem i praktiska tillämpningar.

I. Medan SiC-enheter är snabbare, blir ströinduktans ett stort hinder.

SiC MOSFETs växlar med hastigheter som är mer än tio gånger snabbare än silikonenheter, vilket resulterar i högre effekttäthet och effektivitet. Den andra sidan av myntet är dock att snabbare byte leder till en högre förändringshastighet av ström (di/dt). Enligt formeln V=L × di/dt kan till och med en strökinduktans på bara några få nanohenries generera spänningstoppar på hundratals volt över enheten. Dessa spikar överlagras på bussspänningen, och om de överskrider enhetens motstå spänningsgräns, kommer de att gå sönder och brinna ut.

Mer problematiskt är att ströinduktans också kan resonera med utgångskapacitansen från SiC-enheter, vilket genererar högfrekventa svängningar (ringning). Denna oscillation ökar kopplingsförlusterna och gör att enheten värms upp, och genererar även allvarliga elektromagnetiska störningar, vilket förhindrar systemet från att godkänna EMC-certifieringen. För säkerhets skull måste ingenjörer ofta kompromissa: antingen välja moduler med högre motståndsspänning (ökande kostnader och förluster) eller öka gateresistansen för att sakta ner växlingshastigheten (direkt slösa bort SiC-fördelen med hög-frekvens). Framväxten av tre-laminerade samlingsskenor syftar till att utrota detta problem på strukturell nivå.

II. Varför minskar en laminerad samlingsskena i en-högeffektomvandlare induktansen?

Traditionella samlingsskenor har två separata ledare, med framåt- och bakåtströmmar långt ifrån varandra. De magnetiska fälten de genererar kan inte eliminera varandra, vilket resulterar i hög ströinduktans. Kärnidén med en laminerad samlingsskena i en hög-omvandlare är att stapla de främre och omvända ledarna tillsammans, så att de löper väldigt nära varandra. Strömriktningarna är motsatta, och magnetfältsriktningarna är också motsatta; de två magnetfälten tar ut varandra, vilket minskar strökinduktansen till en-tiondel eller till och med mindre av traditionella lösningar.

Ur ett produktklassificeringsperspektiv är laminerade samlingsskenor inte vanliga ledande samlingsskenor, utan snarare passiva kraftkomponenter med en exakt designad struktur. Beroende på antalet lager inkluderar vanliga strukturer tre, fyra eller till och med fem lager. Ju fler lager, desto kompaktare är strömvägen och desto lägre induktans. Som en viktig anslutningskomponent i växelriktaren bestämmer dess induktansvärde direkt den övre gränsen för hela växelriktarens dynamiska prestanda.

III. Hur väljer man laminerade bussskenor för olika applikationsscenarier?

Kärnlogiken för valet är: överväg först spänningsnivån, sedan strömkapaciteten och slutligen installationsutrymmet.

Nya energifordon är för närvarande det snabbast-växande applikationsområdet för laminerade samlingsskenor. Laminerade samlingsskenor för elbilar måste bära hundratals ampere ström inom ett mycket litet utrymme samtidigt som de uppfyller kraven för vibrationer och temperaturcykler i fordons-klass. De använder vanligtvis fler-kompositstrukturer för att balansera låg induktans och hög tillförlitlighet.

Sektorn för järnvägstransitering har extremt höga säkerhetskrav. Tunnelbanans laminerade bussskenor måste uppfylla stränga standarder för explosionssäkert-, brand-och korrosionssäkert-skydd, samtidigt som de kontrollerar elektromagnetiska störningar i underjordiska tunnlars slutna miljö. Därför väljs ofta produkter med skyddsdesign, såsom högspänningsexplosions-säkra växelriktare.

För komplexa topologier som växelriktare med tre-nivåer måste laminerade samlingsskenor för växelriktare med tre-nivåer integrera flera positiva och negativa bussar inom en enda samlingsskena, vilket resulterar i högre strukturell komplexitet och strängare krav på mellanskiktsisolering och inriktningsnoggrannhet. Laminerade samlingsskenor för komplexa samlingsskenor är designade för industriella frekvensomvandlare, energilagringssystem och andra applikationer och stöder anpassade fler-grenar.