Applicazione di sbarre collettrici laminate in azionamenti a frequenza variabile ad alta- tensione: un'analisi tecnica per ridurre l'induttanza parassita e migliorare l'affidabilità del sistema

Man mano che i convertitori di frequenza a frequenza variabile (VFD) ad alta- tensione si evolvono verso tensioni e correnti più elevate, frequenze di commutazione più elevate, miniaturizzazione e densità di potenza più elevate, le velocità di commutazione dei dispositivi di potenza continuano ad aumentare. Di conseguenza, la struttura di interconnessione tra il bus CC e i moduli di potenza è diventata un fattore critico che influenza le prestazioni del sistema.

 

In condizioni di commutazione ad alta-frequenza, i metodi di connessione tradizionali-come sbarre e cavi in ​​rame discreti-tendono a generare una significativa induttanza parassita. Ciò porta a picchi di tensione, oscillazioni e ulteriori perdite di potenza durante la commutazione rapida dei dispositivi di potenza. Pertanto, le sbarre collettrici laminate a bassa-induttanza e altamente integrate sono diventate sempre più la soluzione di interconnessione preferita per i circuiti di alimentazione CC dei VFD ad alta-tensione.

 

Una sbarra laminata è essenzialmente una struttura composita di interconnessione di potenza formata da strati alternati di metallo conduttivo e materiale isolante. Gli strati conduttivi utilizzano tipicamente materiali altamente conduttivi come rame o alluminio; il loro spessore, larghezza e numero di strati sono progettati in base alla corrente nominale, allo spazio di installazione, ai requisiti di isolamento e alle esigenze di gestione termica.

 

L'isolamento elettrico tra gli strati conduttivi viene ottenuto tramite materiali isolanti e l'assemblaggio viene unito insieme-utilizzando laminazione, incollaggio o altri processi-per formare una struttura unificata. Rispetto al tradizionale cablaggio punto-a-punto, i vantaggi principali delle sbarre collettrici laminate sono la capacità di accorciare i percorsi di commutazione della corrente e di ridurre l'area del circuito e i parametri parassiti attraverso la disposizione adiacente di conduttori positivi e negativi.

 

Nelle apparecchiature di conversione ad alta-potenza, la sbarra collettrice serve non solo a trasmettere energia elettrica ma funge anche da componente chiave che definisce i parametri elettrici del circuito di potenza. Dal punto di vista dell'architettura del sistema, le interconnessioni tra la sbarra collettrice e componenti come condensatori di filtro, moduli di potenza e dispositivi di commutazione influiscono direttamente sull'impedenza e sulla risposta dinamica del circuito di commutazione.

 

Per le applicazioni che coinvolgono sbarre laminate in convertitori ad alta-potenza, ottenere una struttura a bassa-induttanza richiede un approccio di progettazione integrato che consideri la topologia di potenza specifica, il layout dei componenti e i percorsi di corrente; il semplice aumento dello spessore della sbarra in rame non è sufficiente per risolvere questi problemi.

 

 

 

I dispositivi di alimentazione all'interno di VFD ad alta-tensione sono spesso sottoposti a operazioni di accensione-e spegnimento-rapide. Quando un semiconduttore di potenza-come un IGBT-si spegne, la corrente di carico deve trasferirsi dal suo percorso di conduzione originale al circuito a ruota libera entro un intervallo di tempo estremamente breve. Poiché i circuiti di potenza pratici non sono conduttori ideali, l'induttanza parassita è inevitabilmente presente a vari livelli all'interno delle sbarre collettrici, dei terminali di connessione, dei conduttori dei dispositivi e delle strutture interne dei moduli di potenza.

 

In base alle caratteristiche elettriche fondamentali degli induttori, l'induttanza parassita genera una tensione indotta corrispondente alla velocità di variazione della corrente quando tale corrente subisce uno spostamento significativo in un breve periodo. In scenari di commutazione ad alta-corrente e ad alta-di/dt, anche l'induttanza parassita nell'ordine di decine di nanohenry può causare un sostanziale superamento della tensione transitoria. Picchi di tensione eccessivi si sovrappongono alla tensione del bus CC, sottoponendo i dispositivi di alimentazione a uno stress elettrico istantaneo che supera la loro tensione operativa-allo stato stazionario.

 

I picchi di tensione persistentemente elevati non solo aumentano lo stress di tensione sui dispositivi, ma esacerbano anche le perdite di commutazione e le interferenze elettromagnetiche. In casi estremi, le tensioni transitorie possono superare la capacità di tenuta alla tensione nominale del dispositivo, compromettendo così la longevità del dispositivo e l'affidabilità del sistema. Di conseguenza, per i convertitori di frequenza a frequenza variabile (VFD) ad alta-tensione, la riduzione dell'induttanza parassita nel circuito di alimentazione spesso produce vantaggi maggiori a livello di sistema-rispetto alla semplice soppressione dei picchi rallentando le velocità di commutazione.

 

Gli approcci tradizionali-come l'aumento della resistenza del gate o la riduzione della velocità di commutazione-possono ridurre il di/dt e quindi mitigare i picchi di tensione transitori. Tuttavia, questi metodi in genere prolungano i tempi di commutazione ed estendono il periodo di sovrapposizione di tensione-corrente durante il processo di commutazione, portando in definitiva a maggiori perdite di commutazione. Pertanto, ridurre l'induttanza parassita del circuito di alimentazione attraverso la progettazione strutturale-mantenendo velocità di commutazione ragionevoli-è una strategia cruciale per migliorare l'efficienza complessiva dei VFD ad alta-tensione.

 

 

Il meccanismo principale mediante il quale le sbarre laminate riducono l'induttanza parassita non si limita ad aumentare l'area della sezione trasversale del conduttore; piuttosto, comporta la minimizzazione dell'area effettiva del circuito ottimizzando i percorsi di corrente e la distribuzione spaziale dei campi magnetici. Quando gli strati conduttivi positivi e negativi sono ravvicinati e trasportano corrente in direzioni opposte, i campi magnetici generati attorno ai due conduttori si annullano a vicenda.

 

Le tradizionali sbarre collettrici a-strato singolo o i cavi discreti richiedono in genere uno spazio significativo per stabilire connessioni tra i terminali positivo e negativo, con conseguenti percorsi di corrente più lunghi e una maggiore separazione tra i conduttori. Ciò crea un'area del circuito di corrente più ampia e, di conseguenza, un'induttanza parassita più elevata. Al contrario, le strutture laminate posizionano i conduttori positivo e negativo il più vicino possibile, costringendo le correnti a fluire in direzioni opposte lungo percorsi adiacenti; ciò minimizza l'accumulo di energia del campo magnetico e riduce l'induttanza del circuito.

 

Questa caratteristica strutturale ha fatto sì che la filosofia di progettazione delle sbarre laminate si evolvesse da una semplice interconnessione conduttiva verso il controllo dell'impedenza del circuito di alimentazione. Per le moderne apparecchiature elettroniche di potenza la sbarra non è più semplicemente un "conduttore" in senso meccanico; è diventato un componente funzionale critico che modella le prestazioni elettriche del sistema.

 

 

 

Maggiore è la velocità di commutazione dei dispositivi di potenza, più rigorosi saranno i requisiti per le strutture di interconnessione esterne. Nei tradizionali sistemi IGBT basati su silicio-con velocità di commutazione relativamente basse, un certo livello di parametri parassiti potrebbe non manifestarsi immediatamente come un problema serio. Tuttavia, con l'avvento dei dispositivi di alimentazione ad alta-frequenza e delle topologie che offrono una maggiore densità di potenza, l'impatto dell'induttanza parassita sulle prestazioni dinamiche del sistema è diventato sempre più significativo.

 

Per i sistemi che utilizzano dispositivi a commutazione rapida-, la progettazione delle sbarre deve dare priorità alla distanza fisica tra il condensatore del collegamento CC-e il modulo di alimentazione. Una distanza maggiore generalmente comporta un percorso di commutazione della corrente più lungo, rendendo più difficile il controllo dell'induttanza parassita. Di conseguenza, i progetti dovrebbero mirare a ridurre al minimo la lunghezza dei circuiti di commutazione ad alta-frequenza e a posizionare strategicamente i condensatori di disaccoppiamento per garantire che le correnti ad alta-frequenza possano completare il loro circuito attraverso il percorso più breve possibile.

 

Negli inverter a tre- e multi-livello, i circuiti di alimentazione sono più complessi e coinvolgono più percorsi di commutazione tra diverse gambe del ponte e nodi di tensione. In questi casi, la sbarra collettrice non deve solo soddisfare i requisiti di isolamento e di trasporto di corrente-, ma anche gestire le disparità di induttanza tra i diversi percorsi. La progettazione di sbarre laminate per inverter a tre-livelli spesso richiede un layout di conduttori multi-strato allineato con la topologia del circuito per garantire una buona simmetria geometrica tra i vari percorsi di corrente.

 

Se c'è un'eccessiva disparità nell'induttanza parassita tra rami paralleli, durante il funzionamento dinamico può verificarsi una distribuzione non uniforme della corrente, sottoponendo alcuni dispositivi di potenza a uno stress termico e di corrente più elevato. Pertanto, la progettazione di sbarre collettrici multi-strato deve affrontare contemporaneamente fattori quali la condivisione della corrente, l'accoppiamento elettromagnetico, i vincoli di spazio di installazione e la gestione termica.

 

 

Oltre a ridurre l'induttanza parassita, la struttura laminata migliora l'integrazione del circuito di alimentazione. I tradizionali gruppi di sbarre collettrici sono generalmente costituiti da più barre di rame discrete, cavi di collegamento, componenti di isolamento e hardware di montaggio, che richiedono passaggi separati per il posizionamento, il fissaggio e il collegamento elettrico durante l'assemblaggio.

 

Poiché lo spazio interno delle apparecchiature diventa sempre più limitato, tali strutture discrete tendono a complicare il processo di assemblaggio. Un vantaggio chiave delle sbarre laminate nelle installazioni complesse è la loro capacità di integrare più percorsi conduttivi indipendenti in un unico assieme unificato. Ciò semplifica i collegamenti elettrici riducendo la quantità di-cablaggi in loco e il numero di punti di connessione.

 

Questa struttura integrata facilita anche la progettazione modulare. Quando una serie di prodotti comprende diverse potenze nominali o dimensioni di montaggio, le specifiche delle sbarre possono essere adattate regolando lo spessore del conduttore, la larghezza, il numero di strati e il posizionamento dei terminali, migliorando così la scalabilità strutturale.

 

Per le apparecchiature di conversione dell'energia con rigidi vincoli spaziali, le strutture composite multi-strato consentono la disposizione tridimensionale-di più nodi elettrici all'interno di un ingombro limitato. Assegnando potenziali o percorsi di corrente diversi a strati conduttivi distinti, queste sbarre collettrici composite consentono ai circuiti di alimentazione complessi di ottenere una configurazione più compatta.

 

 

Le sbarre collettrici nei convertitori di frequenza a frequenza variabile (VFD) ad alta- tensione devono non solo soddisfare i requisiti di bassa-induttanza, ma anche garantire l'affidabilità dell'isolamento a lungo-termine. Con l'aumento dei livelli di tensione del sistema, è necessaria una progettazione sistematica delle distanze di isolamento, delle distanze elettriche, delle distanze superficiali e della rigidità dielettrica dei materiali isolanti-sia tra strati conduttivi che tra strati conduttivi e strutture metalliche esterne.

 

I materiali isolanti per le sbarre laminate devono essere selezionati in base alla tensione operativa, alla temperatura, all'umidità, ai livelli di inquinamento e ai fattori ambientali meccanici. Per le applicazioni ad alta-tensione, le considerazioni vanno oltre la rigidità dielettrica intrinseca del materiale e includono l'invecchiamento termico a lungo-termine, le caratteristiche di assorbimento dell'umidità, le prestazioni di scarica parziale e l'affidabilità del collegamento tra gli strati.

 

Nelle applicazioni impegnative-come le sbarre collettrici per inverter ad alta-tensione-antideflagrante-la struttura isolante deve tenere conto dell'impatto a lungo-termine delle vibrazioni delle apparecchiature, dei cicli termici e degli ambienti industriali complessi. Il processo di progettazione deve guardare oltre le prestazioni di tensione di resistenza-iniziale per garantire la stabilità dell'isolamento nel corso del funzionamento-a lungo termine.

 

Traferri significativi tra conduttori e materiali isolanti possono portare a una concentrazione localizzata di campi elettrici e a un aumento del rischio di scariche parziali in condizioni di alta-tensione e-impulsi rapidi. Di conseguenza, i processi di produzione devono garantire un'unione tra gli strati di alta-qualità e utilizzare trattamenti dei bordi e incapsulamento isolanti adeguati per ridurre al minimo la potenziale concentrazione di campo elettrico.

 

 

 

Le sbarre collettrici nei VFD ad alta-tensione trasportano correnti considerevoli per periodi prolungati, generando calore Joule a causa della resistenza del conduttore. La progettazione delle sbarre richiede il bilanciamento della capacità di trasporto di corrente-, delle perdite resistive, della dissipazione del calore e della resistenza meccanica.

 

Sebbene le tradizionali sbarre in rame spesse e strette possano aumentare la capacità di trasporto di corrente-ampliando l'area della sezione trasversale-, potrebbero dover affrontare limitazioni in termini di spazio, installazione e dissipazione del calore nelle apparecchiature compatte. Le strutture laminate utilizzano tipicamente strati conduttivi ampi e sottili; ciò migliora la distribuzione della corrente aumentando l'effettiva larghezza conduttiva e facilita la gestione termica allineandosi con i percorsi del flusso d'aria interno dell'apparecchiatura.

 

Per le apparecchiature che funzionano ad alte frequenze, è necessario considerare anche l'impatto dell'effetto pelle e dell'effetto di prossimità sulla resistenza CA. All'aumentare della frequenza, la distribuzione della corrente attraverso la sezione trasversale del conduttore-diventa non-uniforme; di conseguenza, una sbarra più spessa non è necessariamente migliore. Lo spessore ottimale del conduttore viene determinato considerando in modo esaustivo la frequenza operativa, le forme d'onda della corrente, i requisiti di aumento della temperatura e i processi di produzione.

 

Nella progettazione è necessario tenere conto anche dell'accoppiamento termico tra i vari strati. Esistono percorsi distinti di conduzione del calore tra gli strati conduttivi, gli strati isolanti e l'aria circostante. Ove necessario, è possibile utilizzare simulazioni termiche per identificare i punti caldi, consentendo l’ottimizzazione localizzata in aree come terminali, regioni ad alta densità di corrente e curve.

 

 

Le sbarre collettrici laminate non si limitano ai tradizionali azionamenti a frequenza variabile ad alta- tensione. Man mano che l’elettronica di potenza si evolve verso frequenze e densità di potenza più elevate, la loro applicazione si è ampliata fino a includere inverter industriali, controller di motori, trasporti ferroviari, veicoli elettrici e sistemi di stoccaggio dell’energia.

 

Negli inverter industriali, le sbarre laminate a bassa-induttanza vengono spesso utilizzate per accorciare i circuiti CC e ridurre le tensioni transitorie di commutazione, consentendo così ai moduli di potenza di funzionare in condizioni di stress elettrico più favorevoli. Per i sistemi di commutazione ad alta-potenza e alta-frequenza, le sbarre collettrici a bassa-induttanza riducono al minimo la sovraelongazione e l'oscillazione, creando una base strutturale superiore per l'efficienza del sistema e il controllo EMI.

 

Nel settore dei veicoli a nuova energia, i sistemi di azionamento elettrico richiedono una maggiore densità di potenza, un peso inferiore e una maggiore affidabilità. Le sbarre laminate per veicoli elettrici devono soddisfare vincoli quali spazio di installazione limitato, trasmissione di corrente elevata, vibrazioni, fluttuazioni di temperatura e affidabilità dell'isolamento; di conseguenza, le loro strutture sono generalmente progettate su misura-per integrarsi con controller di motori, inverter e sistemi di bus CC.

 

Nei sistemi di trasporto ferroviario, le sbarre collettrici devono inoltre resistere a vibrazioni a lungo-termine, variazioni di temperatura e condizioni operative di alta-tensione. Le priorità di progettazione per prodotti come le sbarre laminate della metropolitana in genere includono il montaggio meccanico, l'isolamento elettrico, la capacità di carico di corrente e l'affidabilità ambientale a lungo termine.

 

Per i veicoli ferroviari e i sistemi di convertitori di trazione, la struttura delle sbarre collettrici deve inoltre essere completamente integrata con moduli di potenza, condensatori di filtro e altre apparecchiature ad alta-tensione. La progettazione deve tenere conto non solo delle prestazioni elettriche, ma anche dei vincoli spaziali interni e dell'ambiente operativo del veicolo.

 

 

La progettazione delle sbarre per i moduli di potenza IGBT dovrebbe basarsi sul circuito di commutazione effettivo anziché replicare semplicemente le dimensioni standard. Fattori quali la posizione dei terminali del modulo di potenza, la disposizione dei condensatori CC, la corrente nominale, la tensione operativa e la frequenza di commutazione influenzano tutti la struttura finale.

 

Lo sviluppo di sbarre laminate personalizzate per IGBT comporta in genere diverse fasi: analisi dei parametri elettrici, layout strutturale, selezione dei materiali, progettazione dell'isolamento, verifica della simulazione e test del prototipo. I progettisti devono prima definire il circuito di alimentazione principale e il circuito di commutazione ad alta-frequenza, quindi determinare le posizioni relative degli strati conduttivi in ​​base al flusso di corrente.

 

Durante la fase di progettazione strutturale, i percorsi tortuosi e i nodi di connessione non necessari dovrebbero essere ridotti al minimo e la simmetria geometrica mantenuta nei circuiti critici. Per le sbarre collettrici ad alta-corrente, è necessario prestare particolare attenzione all'affollamento di corrente nelle aree terminali per evitare un'eccessiva densità di corrente causata da fori di montaggio, ritagli o strozzature localizzate.

 

Una volta completata la progettazione strutturale, la simulazione elettromagnetica viene utilizzata per calcolare l'induttanza parassita, la densità di corrente e la distribuzione del campo magnetico, mentre la simulazione termica analizza l'aumento della temperatura in stato stazionario. I sistemi ad alta-tensione richiedono inoltre la verifica della rigidità dielettrica, delle caratteristiche di scarica parziale e dell'affidabilità ambientale.
 

 

 

Lo sviluppo di azionamenti a frequenza variabile ad alta- tensione ha portato al continuo miglioramento delle strutture di interconnessione elettrica. Sebbene le tradizionali barre e cavi in ​​rame discreti offrano strutture semplici e una produzione flessibile, i loro parametri parassiti e la complessità dell'assemblaggio sono diventati problemi critici nei sistemi ad alta-frequenza, alta-tensione e alta-potenza-densità.

 

Barre laminateforniscono un metodo di interconnessione più compatto per l'elettronica di potenza accorciando i percorsi di corrente, riducendo la spaziatura tra conduttori positivi e negativi, ottimizzando la cancellazione del campo magnetico e integrando più strati conduttivi. Il loro valore non risiede solo nella riduzione dell'induttanza parassita, ma anche nel miglioramento dell'assemblaggio del sistema, della gestione dell'isolamento, della gestione termica e dell'affidabilità strutturale. Poiché i dispositivi di alimentazione ad alta-frequenza, i sistemi HVDC e i convertitori ad-potenza-densità continuano ad evolversi, la progettazione delle sbarre collettrici darà sempre più priorità all'ottimizzazione sinergica delle prestazioni elettriche, termiche, meccaniche e di isolamento.

 

Per vari tipi di apparecchiature, il design ideale delle sbarre laminate non consiste semplicemente nel ridurre al minimo l'induttanza; implica piuttosto l'ottimizzazione completa dell'intero circuito di alimentazione soddisfacendo al tempo stesso i requisiti di capacità di carico di corrente, isolamento, dissipazione del calore, resistenza meccanica e producibilità.

 

Da questo punto di vista, il busbar laminato si è evoluto da un componente convenzionale per la trasmissione di energia elettrica a un elemento strutturale critico all’interno dei sistemi elettronici di potenza. Gestendo in modo efficace i parametri parassiti, ottimizzando i percorsi di commutazione e migliorando l'integrazione strutturale, queste sbarre collettrici forniscono un supporto essenziale per il funzionamento stabile, compatto e affidabile degli azionamenti a frequenza variabile ad alta-tensione e altre apparecchiature elettroniche ad alta-potenza.