راهنمای بهینه‌سازی اندوکتانس ولگرد باسبارهای چند لایه: نحوه کاهش نوک ولتاژ و تلفات سوئیچینگ در اینورترهای SiC

در انتقال سیستم‌های الکترونیک قدرت از IGBT‌های سیلیکونی سنتی به دستگاه‌های کاربید سیلیکون (SiC)، یک مسئله کلیدی به تدریج پدیدار شد: دستگاه‌های SiC دارای سرعت سوئیچینگ بسیار بالایی هستند، اما اندوکتانس سرگردان در سیستم می‌تواند به شدت عملکرد را مختل کند. نوسانات ولتاژ و{1}}بالا بودن نوسانات ناشی از اندوکتانس سرگردان نه تنها ایمنی دستگاه را تهدید می کند، بلکه مزایای عملکرد SiC را نیز به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. باسبارهای چند لایه با چگالی بالا راه حل اصلی برای رفع این تنگنا هستند. این مقاله توضیح می دهد که چرا شین های چند لایه می توانند اندوکتانس را کاهش دهند و چگونه آنها را در کاربردهای عملی انتخاب کنیم.

I. در حالی که دستگاه های SiC سریعتر هستند، اندوکتانس سرگردان به یک مانع بزرگ تبدیل می شود.

ماسفت‌های SiC با سرعتی بیش از ده برابر سریع‌تر از دستگاه‌های سیلیکونی سوئیچ می‌شوند و در نتیجه چگالی توان و راندمان بالاتری دارند. با این حال، روی دیگر سکه این است که سوئیچینگ سریعتر منجر به نرخ بالاتر تغییر جریان (di/dt) می شود. بر اساس فرمول V=L × di/dt، حتی یک اندوکتانس سرگردان تنها چند نانوهنری می‌تواند نوک ولتاژ صدها ولت را در سراسر دستگاه ایجاد کند. این سنبله ها روی ولتاژ شین قرار می گیرند و اگر از حد مجاز ولتاژ مقاومت دستگاه فراتر بروند، خراب می شوند و می سوزند.

مشکل سازتر این است که اندوکتانس سرگردان همچنین می تواند با ظرفیت خروجی دستگاه های SiC طنین انداز شود و نوسانات فرکانس{0} بالا (زنگ) ایجاد کند. این نوسان تلفات سوئیچینگ را افزایش می دهد و باعث گرم شدن دستگاه می شود و همچنین تداخل الکترومغناطیسی شدید ایجاد می کند و سیستم را از گذراندن گواهینامه EMC جلوگیری می کند. برای ایمنی، مهندسان اغلب باید مصالحه کنند: یا ماژول‌هایی با ولتاژ مقاومت بالاتر (افزایش هزینه و تلفات) انتخاب کنند یا مقاومت گیت را برای کاهش سرعت سوئیچینگ افزایش دهند (مستقیماً مزیت فرکانس بالای SiC را هدر می‌دهند). ظهور باسبارهای چند لایه سه لایه با هدف از بین بردن این مشکل در سطح ساختاری است.

II. چرا یک شینه چند لایه در یک مبدل توان{1}بالا، اندوکتانس را کاهش می‌دهد؟

شینه های سنتی دو هادی مجزا دارند که جریان های رو به جلو و معکوس از هم فاصله دارند. میدان های مغناطیسی که تولید می کنند نمی توانند یکدیگر را خنثی کنند و در نتیجه اندوکتانس سرگردانی بالایی ایجاد می کنند. ایده اصلی یک شینه چند لایه در یک مبدل قدرت بالا این است که هادی‌های رو به جلو و معکوس را در کنار هم قرار دهند و آنها را به هم نزدیک کند. جهت جریان مخالف است و جهت میدان مغناطیسی نیز مخالف است. دو میدان مغناطیسی یکدیگر را خنثی می کنند و اندوکتانس سرگردان را به یک دهم یا حتی کمتر از راه حل های سنتی کاهش می دهند.

از منظر طبقه بندی محصول، باس بارهای چند لایه، شینه های رسانای معمولی نیستند، بلکه اجزای توان غیرفعال با ساختاری دقیق طراحی شده هستند. بسته به تعداد لایه ها، سازه های رایج شامل سه، چهار یا حتی پنج لایه است. هر چه تعداد لایه ها بیشتر باشد، مسیر جریان فشرده تر و اندوکتانس کمتر می شود. به عنوان یک جزء کلیدی اتصال در اینورتر، مقدار اندوکتانس آن به طور مستقیم حد بالایی عملکرد دینامیکی کل اینورتر را تعیین می کند.

III. چگونه میله های اتوبوس چند لایه را برای سناریوهای کاربردی مختلف انتخاب کنیم؟

منطق اصلی برای انتخاب این است: ابتدا سطح ولتاژ، سپس ظرفیت فعلی و در نهایت فضای نصب را در نظر بگیرید.

وسایل نقلیه با انرژی جدید در حال حاضر سریع‌ترین-در حال رشد برای میله‌های اتوبوس چند لایه هستند. میله‌های اتوبوس چند لایه برای اتومبیل‌های برقی باید صدها آمپر جریان را در فضای بسیار کوچک حمل کنند و در عین حال نیازهای دوچرخه‌سواری درجه حرارت و لرزش خودرو را برآورده کنند. آنها معمولاً از ساختارهای کامپوزیت چند لایه برای متعادل کردن اندوکتانس کم و قابلیت اطمینان بالا استفاده می کنند.

بخش حمل و نقل ریلی دارای الزامات ایمنی بسیار بالایی است. میله‌های اتوبوس مترو باید استانداردهای سختگیرانه‌ای را برای محافظت در برابر انفجار، ضد حریق-ضد زنگ- و در عین حال کنترل تداخل الکترومغناطیسی در محیط بسته تونل‌های زیرزمینی داشته باشند. بنابراین، محصولاتی با طرح‌های محافظ، مانند گذرگاه‌های اینورتر ضد ولتاژ{5}، اغلب انتخاب می‌شوند.

برای توپولوژی‌های پیچیده مانند اینورترهای سه سطح، میله‌های باس لایه‌ای برای اینورترهای سه سطح- باید چندین گذرگاه مثبت و منفی را در یک گذرگاه ادغام کنند که در نتیجه پیچیدگی ساختاری بالاتر و الزامات سخت‌گیرانه‌تری برای عایق‌سازی و دقت تراز بین لایه‌ها ایجاد می‌شود. باسبارهای چند لایه برای تاسیسات شینه پیچیده برای مبدل‌های فرکانس صنعتی، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی و سایر کاربردها طراحی شده‌اند و از طرح‌های چند شاخه‌ای سفارشی پشتیبانی می‌کنند.