Руководство по оптимизации паразитной индуктивности ламинированных шин: как уменьшить скачки напряжения и потери на переключение в SiC-инверторах

При переходе систем силовой электроники от традиционных кремниевых IGBT к устройствам из карбида кремния (SiC) постепенно возникла ключевая проблема: устройства SiC имеют чрезвычайно высокую скорость переключения, но паразитная индуктивность в системе может серьезно снизить производительность. Скачки напряжения и высокочастотные-колебания, вызванные паразитной индуктивностью, не только угрожают безопасности устройства, но и значительно снижают преимущества SiC в производительности. Ламинированные шины высокой-плотности являются основным структурным решением, позволяющим устранить это узкое место. В этой статье объясняется, почему ламинированные шины могут снизить индуктивность и как их выбирать для практического применения.

I. Хотя устройства на основе SiC работают быстрее, основной проблемой становится паразитная индуктивность.

SiC MOSFET переключаются со скоростью более чем в десять раз быстрее, чем кремниевые устройства, что приводит к более высокой плотности мощности и эффективности. Однако другая сторона медали заключается в том, что более быстрое переключение приводит к более высокой скорости изменения тока (di/dt). Согласно формуле V=L × di/dt, даже паразитная индуктивность всего в несколько наногенри может вызвать на устройстве скачки напряжения в сотни вольт. Эти скачки накладываются на напряжение шины, и если они превысят предел выдерживаемого напряжения устройства, они выйдут из строя и сгорят.

Более проблематичным является то, что паразитная индуктивность также может резонировать с выходной емкостью SiC-устройств, создавая высокочастотные колебания (звон). Эти колебания увеличивают потери на переключение и вызывают перегрев устройства, а также создают сильные электромагнитные помехи, не позволяющие системе пройти сертификацию по электромагнитной совместимости. В целях безопасности инженерам часто приходится идти на компромисс: либо выбирать модули с более высоким выдерживаемым напряжением (увеличивая стоимость и потери), либо увеличивать сопротивление затвора, чтобы замедлить скорость переключения (напрямую теряя высокочастотное преимущество SiC). Появление трех-ламинированных шин направлено на устранение этой проблемы на структурном уровне.

II. Почему ламинированная шина в преобразователе большой-мощности снижает индуктивность?

Традиционные шины имеют два отдельных проводника, прямой и обратный токи которых расположены далеко друг от друга. Генерируемые ими магнитные поля не могут нейтрализовать друг друга, что приводит к высокой паразитной индуктивности. Основная идея ламинированной шины в преобразователе большой-мощности состоит в том, чтобы сложить вместе прямые и обратные проводники, заставляя их проходить очень близко друг к другу. Направления тока противоположны, и направления магнитного поля также противоположны; два магнитных поля нейтрализуют друг друга, уменьшая паразитную индуктивность до одной-или даже меньше, чем у традиционных решений.

С точки зрения классификации продукции ламинированные шины представляют собой не обычные проводящие шины, а скорее пассивные силовые компоненты с точно спроектированной конструкцией. В зависимости от количества слоев распространенные структуры включают три, четыре или даже пять слоев. Чем больше слоев, тем компактнее путь тока и меньше индуктивность. Будучи ключевым компонентом подключения инвертора, его значение индуктивности напрямую определяет верхний предел динамических характеристик всего инвертора.

III. Как выбрать ламинированные шины для различных сценариев применения?

Основная логика выбора такова: сначала учитывайте уровень напряжения, затем текущую мощность и, наконец, место для установки.

Транспортные средства на новых источниках энергии в настоящее время являются самой быстрорастущей-областью применения ламбинированных шин. Ламинированные шины для электромобилей должны выдерживать ток в сотни ампер в очень небольшом пространстве, при этом удовлетворяя автомобильным-требованиям к вибрации и температурному циклированию. Обычно они используют много-композитные структуры, чтобы сбалансировать низкую индуктивность и высокую надежность.

В секторе железнодорожного транзита предъявляются чрезвычайно высокие требования к безопасности. Ламбинированные шины метрополитена должны соответствовать строгим стандартам взрывобезопасности,-, пожаробезопасности,-и коррозии-, а также контроля электромагнитных помех в закрытой среде подземных туннелей. Поэтому часто выбирают изделия с защитной конструкцией, такие как взрывозащищенные-инверторные шины высокого напряжения.

В сложных топологиях, таких как трех-инверторы, ламбинированные шины для трех-инверторов должны объединять несколько положительных и отрицательных шин в одной шине, что приводит к увеличению структурной сложности и более строгим требованиям к межслойной изоляции и точности выравнивания. Ламинированные шины для сложных шинных установок предназначены для промышленных преобразователей частоты, систем хранения энергии и других применений и поддерживают индивидуальные много-разветвленные конструкции.