Designprincipper for lav-omstrejfende-induktans høj-tæthed stablede samleskinner og analyse af deres anvendelse i elektroniske systemer med høj-effekt

 

Drevet af fremskridt inden for nye energikøretøjer, energilagringssystemer, jernbanetransport, industriel automation og smart grid-teknologier udvikler høj-elektronisk udstyr sig mod højere spændinger, højere frekvenser og højere effekttætheder. I denne proces erstatter næste-generations brede-båndgab-halvlederenheder-eksemplificeret ved siliciumcarbid (SiC)- gradvist traditionelle silicium-baserede IGBT'er, og tjener som en vigtig teknologisk vej til at forbedre systemeffektiviteten og reducere udstyrsstørrelsen.

 

Sammenlignet med traditionelle siliciummaterialer tilbyder SiC-halvledere et bredere båndgab, et højere kritisk elektrisk felt, lavere ledningstab og overlegen-temperaturydelse. Disse fordele gør det muligt for SiC MOSFET'er at fungere ved højere koblingsfrekvenser, mens de giver mulighed for nedskæring af magnetiske komponenter og termiske styringsstrukturer, hvorved den samlede effekttæthed øges.

 

Imidlertid introducerer højhastighedsskiftefunktioner også nye tekniske udfordringer. Efterhånden som strømenheders omskiftningshastighed stiger, stiger hastighederne for strømændring (di/dt) og spænding (dv/dt) betydeligt. Under disse forhold udøver uundgåelige parasitære parametre inden for strømsløjfen-især stray induktans-en væsentlig indflydelse på systemets ydeevne.

 

Under høj-omskiftning genererer stray induktans transiente spændingsspidser i overensstemmelse med forholdet:

 

V=L × di/dt

 

Når strømmen ændrer sig hurtigt, kan selv en lille mængde strøinduktans producere spændingsoverskridelser på titusinder af volt eller mere. Disse transiente spændinger øger ikke kun spændingsbelastningen på strømenheder, men kan også skubbe enheder ud over deres Safe Operating Area (SOA), og derved kompromittere systemets pålidelighed.

 

Som følge heraf er minimering af strømsløjfe-stray-induktans i moderne-højeffektkonverteringssystemer blevet et kritisk designmål for at forbedre effektiviteten, forbedre ydeevnen for elektromagnetisk interferens (EMI) og sikre sikker drift af halvlederenheder.

 

 

 

Stray induktans er ikke en parameter genereret af en enkelt, diskret komponent; snarere er det resultatet af den samlede geometri af hele strømsløjfen. Det opstår primært fra induktansen af ​​selve lederne såvel som fra tilslutningsklemmer, kabler, PCB-spor, intern effektmodulemballage og samleskinnestrukturer.

 

I traditionelle strømsystemer, der anvender standard kobberskinner eller ledningsnet, er der ofte betydelig rumlig adskillelse mellem de positive og negative strømveje, hvilket øger arealet af strømsløjfen. I henhold til principperne for elektromagnetisme, jo større sløjfearealet er, jo bredere rækkevidde af det genererede magnetfelt, og jo højere er den tilsvarende parasitære induktans.

 

I højfrekvente strømelektroniske systemer flyder strømmen ikke blot langs en leders længde; i stedet skaber det en kompleks elektromagnetisk feltfordeling gennem det omgivende rum. Derfor ligger nøglen til at reducere strøinduktans ikke blot i at øge tykkelsen af ​​kobberskinnen, men i at optimere strømvejen -ved at bringe de positive og negative kredsløbssløjfer så tæt på hinanden som muligt og minimere de områder, hvor magnetfeltenergi er lagret.

 

Dette er en primær årsag til, at laminerede skinner med høj-densitet er så udbredt.

 

 

En lamineret samleskinne er en højtydende strømforbindelsesstruktur, der er dannet ved at kombinere flere lag ledende materiale med isolerende medier. Typisk har den stærkt ledende materialer-såsom kobber eller aluminium-som lederlagene, adskilt af isolerende materialer, der tilbyder fremragende dielektrisk styrke og mekanisk stabilitet; hele samlingen er bundet til en samlet struktur gennem processer såsom varmpresning, klæbende limning eller laminering.

 

Sammenlignet med traditionelle enkeltlags-kobbersamleskinner er den største fordel ved den laminerede struktur dens evne til at opnå en høj grad af overlap mellem de positive og negative strømveje.

 

Når strømme, der flyder i modsatte retninger, passerer gennem tilstødende ledere, gælder princippet om elektromagnetisk feltannullering: De magnetiske felter, der genereres af de to strømme, modarbejder hinanden, hvilket effektivt reducerer den totale magnetiske flux, der produceres af strømsløjfen, og derved sænker systemets ækvivalente induktans.

 

En lamineret samleskinne er derfor mere end blot en mekanisk forbindelseskomponent; det er en kritisk elektromagnetisk struktur, der påvirker den dynamiske ydeevne af kraftelektroniske systemer.

 

I høj-effektinvertere, energilagringsomformere og industrielt strømforsyningsudstyr er design med lav-induktans blevet en nøgleværdi for optimering af samleskinnestrukturer. For eksempel kræver visse applikationer med høj-omskiftning specialdesignede laminerede samleskinner-såsom dem, der bruges i variable frekvensdrev (VFD'er)-for at opfylde systemets krav til hurtig reaktion og drift med lavt-tab.

 

 

 

Efterhånden som integrationsniveauet for elektronisk udstyr stiger, har laminerede samleskinner udvidet sig ud over traditionelle industrielle strømforsyningssektorer til forskellige høje-applikationsområder.

 

For eksempel kræver strømsystemer i servere, telekommunikationsudstyr og datacentre yderst pålidelige strømfordelingsstrukturer for at minimere transmissionstab. Derfor anvendes laminerede samleskinner i høj-densitetscomputerudstyr-såsom i supercomputerkredsløb eller backplanes-for at sikre stabil strømforsyning til høj-databehandlingsplatforme.

 

Inden for telekommunikationsinfrastrukturen kræver høj-basestationsudstyr også kompakte, effektive strømforbindelsesløsninger. laminerede samleskinner opfylder effektivt begrænsningerne med hensyn til plads og behovet for kontinuerlig drift i cellulær basestations strømdistribution.

 

Ydermere, i store-strømsystemer anvendes laminerede samleskinner i modulære strømarkitekturer-såsom iPower Distribution Unit (PDU) samleskinnestrukturer-for at lette forbindelser med lavt-tab mellem flere strømmoduler og forbedre systemets overordnede pålidelighed.