Barre collettrici laminate dell'inverter: principio di riduzione dell'induttanza parassita e considerazioni chiave per la progettazione ad alta corrente

Il vantaggio principale della barra di rame laminato deriva dalla sua struttura laminata "sandwich"-gli strati di rame conduttivi positivi e negativi sono strettamente impilati insieme attraverso un mezzo isolante (come poliimmide o resina epossidica), formando anelli conduttivi con direzioni di corrente opposte e posizioni spaziali sovrapposte. Quando passa una corrente ad alta-frequenza e-alta, la corrente negli strati di rame positivo e negativo genera campi magnetici di uguale ampiezza ma di direzione opposta. Questi campi magnetici si annullano a vicenda, indebolendo significativamente il collegamento del flusso magnetico totale del circuito e riducendo così significativamente l'induttanza parassita. I dati di misurazione effettivi mostrano che una sbarra collettrice in rame laminato lunga 200 mm, larga 100 mm e spessa 0,5 mm può controllare la propria induttanza parassita su 3-5 nH, mentre l'induttanza parassita di una sbarra collettrice parallela della stessa dimensione può raggiungere fino a 110 nH, una differenza di oltre 20 volte. Questa caratteristica di bassa induttanza non solo sopprime i picchi di tensione ma riduce anche le perdite di commutazione, abbassa le interferenze elettromagnetiche (EMI) e migliora l'efficienza e l'affidabilità complessive del sistema.

La progettazione delle sbarre collettrici laminate per telecomunicazioni richiede attenzione a quattro elementi fondamentali: in primo luogo, gli strati di rame positivo e negativo devono essere strettamente paralleli e sovrapposti per massimizzare l'area di sovrapposizione del percorso corrente e ridurre al minimo l'area rimanente del circuito; in secondo luogo, lo spessore dello strato isolante dovrebbe essere ridotto al minimo possibile; in teoria, minore è la spaziatura, più significativo è l'effetto di cancellazione del campo magnetico; in terzo luogo, la larghezza della sbarra collettrice laminata deve essere progettata in modo ragionevole, poiché uno strato di rame più ampio può migliorare l'uniformità della distribuzione della corrente sotto l'effetto pelle ad alta-frequenza e sopprimere ulteriormente l'induttanza; in quarto luogo, le posizioni dei fori di montaggio devono essere disposte simmetricamente per garantire che la distanza di connessione tra i dispositivi di potenza (come gli IGBT) e i condensatori di supporto CC sia ridotta al minimo, riducendo l'ulteriore induttanza del circuito. Inoltre, le sbarre collettrici laminate con inverter presentano anche vantaggi quali elevata capacità di trasporto di corrente (3-5 A/mm² per unità di area trasversale-sezionale), elevata efficienza di dissipazione del calore (la struttura sottile multi-strato di rame aumenta l'area di dissipazione del calore) e struttura compatta (il design integrato sostituisce i cavi sparsi) e sono ampiamente utilizzati in scenari ad alta corrente come inverter per veicoli di nuova energia, convertitori di accumulo di energia fotovoltaica, convertitori di frequenza industriali e sistemi di trazione ferroviaria.

La quantificazione dell'induttanza parassita richiede un test a doppio-impulso, che è un metodo di test-standard del settore. Durante il test è necessario costruire un circuito a mezzo ponte-. Un segnale a doppio-impulso viene applicato attraverso l'interruttore lato basso-e vengono misurate la tensione del collettore-emettitore (Vce) e le forme d'onda della corrente del dispositivo-del braccio superiore (come un IGBT). È importante selezionare il transitorio di accensione-(piuttosto che il transitorio di spegnimento-di spegnimento) per la misurazione, poiché la variazione di corrente è più stabile all'accensione-, evitando interferenze dalla corrente di recupero inversa del diodo a ruota libera. Secondo la formula L=ΔVce / (di/dt), l'induttanza parassita totale del circuito può essere calcolata leggendo il picco di tensione (ΔVce) e la velocità di variazione della corrente (di/dt) all'istante di accensione-. Nelle misurazioni effettive, l'induttanza parassita del loop che utilizza connettori per sbarre laminate è tipicamente intorno a 75 nH, mentre quella delle sbarre parallele tradizionali supera i 200 nH, verificando i notevoli vantaggi della struttura laminata.

Quando si seleziona un alimentatore, è necessario scegliere la soluzione appropriata in base alla corrente nominale: per applicazioni inferiori a 100 A, è possibile utilizzare soluzioni di alimentazione con sbarre laminate convenzionali con uno spessore dello strato isolante di 0,2-0,3 mm; per applicazioni da 100-500 A, sono necessari uno strato di rame più spesso e uno spessore dello strato isolante di 0,3-0,5 mm; per applicazioni 500-1000A è necessaria una struttura multistrato impilata con spessore dello strato isolante di 0,5 mm; e per applicazioni superiori a 1000 A, è richiesto un design personalizzato, con distribuzione di corrente e resistenza al cortocircuito ottimizzati attraverso la simulazione. Il processo di progettazione deve aderire al principio di minimizzazione dell'area del circuito di corrente, considerando anche i requisiti di dissipazione del calore e resistenza meccanica. Per le applicazioni ad alta tensione è necessario verificare anche la tensione nominale di tenuta dell'isolamento.