Ontwerpprincipes van lage-strooi-inductie hoge-dichtheid gestapelde rails en analyse van hun toepassing in elektronische systemen met hoog-vermogen

 

Gedreven door de vooruitgang op het gebied van nieuwe energievoertuigen, energieopslagsystemen, spoorvervoer, industriële automatisering en slimme netwerktechnologieën, evolueert elektronische apparatuur met hoog-vermogen naar hogere spanningen, hogere frequenties en hogere vermogensdichtheden. In dit proces vervangen de volgende-generatie-brede- halfgeleiderapparaten met bandbreedte-, geïllustreerd door siliciumcarbide (SiC)- geleidelijk de traditionele, op silicium- gebaseerde IGBT's, die dienen als een belangrijk technologisch traject voor het verbeteren van de systeemefficiëntie en het verkleinen van de apparatuurgrootte.

 

Vergeleken met traditionele siliciummaterialen bieden SiC-halfgeleiders een grotere bandafstand, een hoger kritisch elektrisch veld, lagere geleidingsverliezen en superieure prestaties bij hoge- temperaturen. Deze voordelen zorgen ervoor dat SiC-MOSFET's op hogere schakelfrequenties kunnen werken, terwijl magnetische componenten en thermische beheerstructuren kunnen worden verkleind, waardoor de algehele vermogensdichtheid toeneemt.

 

De snelle schakelmogelijkheden- zorgen echter ook voor nieuwe technische uitdagingen. Naarmate de schakelsnelheid van vermogensapparaten toeneemt, stijgen de snelheden van stroomverandering (di/dt) en spanning (dv/dt) aanzienlijk. Onder deze omstandigheden hebben onvermijdelijke parasitaire parameters binnen de stroomlus-met name de zwerfinductie-een substantiële invloed op de systeemprestaties.

 

Tijdens het schakelen op hoge- snelheid genereert de zwerfinductie tijdelijke spanningspieken in overeenstemming met de relatie:

 

V=L × di/dt

 

Wanneer de stroom snel verandert, kan zelfs een kleine hoeveelheid zwerfinductie spanningsoverschrijdingen van tientallen volt of meer veroorzaken. Deze transiënte spanningen verhogen niet alleen de spanningsbelasting op voedingsapparaten, maar kunnen apparaten ook buiten hun Safe Operating Area (SOA) duwen, waardoor de betrouwbaarheid van het systeem in gevaar komt.

 

Bijgevolg is het minimaliseren van strooiinductie in de stroomlus in moderne conversiesystemen met hoog-vermogen een kritische ontwerpdoelstelling geworden voor het verbeteren van de efficiëntie, het verbeteren van de prestaties van elektromagnetische interferentie (EMI) en het garanderen van de veilige werking van halfgeleiderapparaten.

 

 

 

Zwerfinductie is geen parameter die wordt gegenereerd door een enkele, discrete component; het is eerder het resultaat van de collectieve geometrie van de gehele stroomlus. Het komt voornamelijk voort uit de inductie van de geleiders zelf, maar ook uit aansluitklemmen, kabels, PCB-sporen, interne voedingsmoduleverpakkingen en railverbindingsstructuren.

 

In traditionele energiesystemen die gebruik maken van standaard koperen rails of kabelbomen, is er vaak een aanzienlijke ruimtelijke scheiding tussen de positieve en negatieve stroompaden, waardoor het gebied van de stroomlus groter wordt. Volgens de principes van het elektromagnetisme geldt: hoe groter het lusoppervlak, hoe breder het bereik van het gegenereerde magnetische veld en hoe hoger de overeenkomstige parasitaire inductie.

 

In hoogfrequente vermogenselektronische systemen stroomt de stroom niet eenvoudigweg langs de lengte van een geleider; in plaats daarvan creëert het een complexe elektromagnetische veldverdeling door de omringende ruimte. Daarom ligt de sleutel tot het verminderen van de zwerfinductie niet alleen in het vergroten van de dikte van de koperen stroomrail, maar in het optimaliseren van het stroompad, door de positieve en negatieve circuitlussen zo dicht mogelijk bij elkaar te brengen en het minimaliseren van de gebieden waar magnetische veldenergie wordt opgeslagen.

 

Dit is een van de voornaamste redenen waarom gelamineerde rails met hoge dichtheid- zo veel worden gebruikt.

 

 

Een gelamineerde stroomrail is een hoogwaardige -stroomverbindingsstructuur die wordt gevormd door het combineren van meerdere lagen geleidend materiaal met isolerende media. Meestal bevat het zeer geleidende materialen-zoals koper of aluminium-als geleiderlagen, gescheiden door isolatiematerialen die een uitstekende diëlektrische sterkte en mechanische stabiliteit bieden; het gehele samenstel wordt tot een uniforme structuur verbonden door middel van processen zoals heetpersen, lijmen of lamineren.

 

Vergeleken met traditionele enkel-laagse koperen rails is het grootste voordeel van de gelamineerde structuur het vermogen om een ​​hoge mate van overlap tussen de positieve en negatieve stroompaden te bereiken.

 

Wanneer stromen die in tegengestelde richtingen stromen door aangrenzende geleiders gaan, is het principe van elektromagnetische veldannulering van toepassing: de magnetische velden die door de twee stromen worden gegenereerd, zijn tegengesteld aan elkaar, waardoor de totale magnetische flux die door de stroomlus wordt geproduceerd effectief wordt verminderd en daardoor de equivalente inductantie van het systeem wordt verlaagd.

 

Een gelamineerde rail is dus meer dan alleen een mechanisch verbindingsonderdeel; het is een kritische elektromagnetische structuur die de dynamische prestaties van vermogenselektronische systemen beïnvloedt.

 

Bij omvormers met hoog-vermogen, omvormers voor energieopslag en industriële stroomvoorzieningsapparatuur is het ontwerp met lage-inductie een belangrijke maatstaf geworden voor het optimaliseren van railstructuren. Bepaalde hoge-schakeltoepassingen vereisen bijvoorbeeld speciaal ontworpen gelamineerde rails-zoals die worden gebruikt in frequentieregelaars (VFD's)-om te voldoen aan de systeemvereisten voor snelle respons en werking met-verliesarme verliezen.

 

 

 

Naarmate het integratieniveau van elektronische apparatuur toeneemt, hebben gelamineerde rails zich buiten de traditionele industriële stroomvoorzieningssectoren uitgebreid naar verschillende toepassingsgebieden met hoog-vermogen.

 

Voedingssystemen in servers, telecommunicatieapparatuur en datacentra vereisen bijvoorbeeld zeer betrouwbare stroomdistributiestructuren om transmissieverliezen te minimaliseren. Dienovereenkomstig worden gelamineerde rails gebruikt in computerapparatuur met hoge -dichtheid-zoals in printplaten of backplanes van supercomputers-om een ​​stabiele stroomtoevoer te garanderen voor computerplatforms met hoge- snelheid.

 

Op het gebied van de telecommunicatie-infrastructuur vereist basisstationapparatuur met hoog-vermogen ook compacte, efficiënte oplossingen voor stroomaansluitingen; gelamineerde rails voldoen effectief aan de beperkingen met betrekking tot ruimte en de behoefte aan continu gebruik in de stroomdistributie van cellulaire basisstations.

 

Bovendien worden gelamineerde stroomrails in grootschalige energiesystemen gebruikt in modulaire stroomarchitecturen-zoals inPower Distribution Unit (PDU)-railstructuren-om verbindingen met laag-verlies tussen meerdere voedingsmodules mogelijk te maken en de algehele systeembetrouwbaarheid te verbeteren.