Guida all'ottimizzazione dell'induttanza parassita delle sbarre collettrici laminate: come ridurre i picchi di tensione e le perdite di commutazione negli inverter SiC

Nella transizione dei sistemi elettronici di potenza dai tradizionali IGBT in silicio ai dispositivi in ​​carburo di silicio (SiC), è gradualmente emersa una questione chiave: i dispositivi SiC hanno velocità di commutazione estremamente elevate, ma l'induttanza parassita nel sistema può ostacolare gravemente le prestazioni. I picchi di tensione e le oscillazioni ad alta-frequenza causati dall'induttanza parassita non solo minacciano la sicurezza del dispositivo ma riducono anche significativamente i vantaggi prestazionali del SiC. Le sbarre collettrici laminate ad alta-densità rappresentano la soluzione strutturale principale per risolvere questo collo di bottiglia. Questo articolo spiegherà perché le sbarre laminate possono ridurre l'induttanza e come selezionarle nelle applicazioni pratiche.

I. Anche se i dispositivi SiC sono più veloci, l'induttanza diffusa diventa un ostacolo importante.

I MOSFET SiC commutano a velocità dieci volte più veloci rispetto ai dispositivi in ​​silicio, con conseguente maggiore densità di potenza ed efficienza. Tuttavia, l'altro lato della medaglia è che una commutazione più rapida porta a un tasso di variazione della corrente (di/dt) più elevato. Secondo la formula V=L × di/dt, anche un'induttanza parassita di pochi nanohenry può generare picchi di tensione di centinaia di volt attraverso il dispositivo. Questi picchi si sovrappongono alla tensione del bus e, se superano il limite di tensione di resistenza del dispositivo, si romperanno e bruceranno.

Ancora più problematico è che l'induttanza parassita può anche entrare in risonanza con la capacità di uscita dei dispositivi SiC, generando oscillazioni ad alta-frequenza (suono). Questa oscillazione aumenta le perdite di commutazione e provoca il surriscaldamento del dispositivo, oltre a generare gravi interferenze elettromagnetiche, impedendo al sistema di superare la certificazione EMC. Per motivi di sicurezza, gli ingegneri spesso devono scendere a compromessi: scegliere moduli con una tensione di resistenza più elevata (aumentando costi e perdite) o aumentare la resistenza di gate per rallentare la velocità di commutazione (sprecando direttamente il vantaggio ad alta-frequenza del SiC). L'emergere delle sbarre collettrici laminate a tre-strati mira a sradicare questo problema a livello strutturale.

II. Perché una barra collettrice laminata in un convertitore ad alta-potenza riduce l'induttanza?

Le sbarre tradizionali hanno due conduttori separati, con correnti dirette e inverse distanti tra loro. I campi magnetici generati non possono annullarsi a vicenda, risultando in un'elevata induttanza parassita. L'idea centrale di una sbarra collettrice laminata in un convertitore ad alta-potenza è quella di impilare insieme i conduttori di andata e ritorno, facendoli correre molto vicini tra loro. Le direzioni della corrente sono opposte e anche le direzioni del campo magnetico sono opposte; i due campi magnetici si annullano a vicenda, riducendo l'induttanza parassita a un-decimo o anche meno delle soluzioni tradizionali.

Dal punto di vista della classificazione del prodotto, le sbarre collettrici laminate non sono normali sbarre collettrici conduttrici, ma piuttosto componenti di potenza passivi con una struttura progettata con precisione. A seconda del numero di strati, le strutture comuni includono tre, quattro o anche cinque strati. Maggiore è il numero degli strati, più compatto è il percorso della corrente e minore è l'induttanza. Essendo un componente di connessione chiave nell'inverter, il suo valore di induttanza determina direttamente il limite superiore delle prestazioni dinamiche dell'intero inverter.

III. Come selezionare le sbarre collettrici laminate per diversi scenari applicativi?

La logica fondamentale per la selezione è: considerare prima il livello di tensione, poi la capacità di corrente e infine lo spazio di installazione.

I veicoli a nuova energia rappresentano attualmente l'area di applicazione-in più rapida crescita per le sbarre collettrici lambinate. Le sbarre collettrici laminate per le auto elettriche devono trasportare centinaia di ampere di corrente in uno spazio molto piccolo, soddisfacendo al contempo i requisiti di vibrazioni e cicli termici di livello automobilistico-. In genere utilizzano strutture composite multi-strato per bilanciare bassa induttanza e alta affidabilità.

Il settore del trasporto ferroviario ha requisiti di sicurezza estremamente elevati. Le sbarre collettrici laminate della metropolitana devono soddisfare rigorosi standard di protezione contro le esplosioni, il fuoco, il fuoco e la corrosione, controllando al tempo stesso le interferenze elettromagnetiche nell'ambiente chiuso dei tunnel sotterranei. Pertanto, vengono spesso scelti prodotti con design protettivo, come le sbarre collettrici inverter antideflagranti ad alta tensione-.

Per topologie complesse come gli inverter a tre- livelli, le sbarre collettrici lambinate per gli inverter a tre- livelli devono integrare più bus positivi e negativi all'interno di un'unica sbarra collettrice, con conseguente maggiore complessità strutturale e requisiti più rigorosi per l'isolamento interstrato e la precisione dell'allineamento. Le sbarre collettrici laminate per installazioni complesse di sbarre collettrici sono progettate per convertitori di frequenza industriali, sistemi di accumulo di energia e altre applicazioni e supportano progetti multi-ramo personalizzati.