Mažo-Klaidžiojo-induktyvumo didelio-tankio šynų projektavimo principai ir jų taikymo didelės-galios elektroninėse sistemose analizė

 

Dėl naujų energiją naudojančių transporto priemonių, energijos kaupimo sistemų, geležinkelių transporto, pramonės automatikos ir išmaniųjų tinklų technologijų pažangos didelės galios{0}}elektroninė įranga tobulėja link didesnės įtampos, aukštesnių dažnių ir didesnio galios tankio. Šiame procese naujos-kartos plataus-pralaidumo puslaidininkiniai įrenginiai-, kurių pavyzdys yra silicio karbidas (SiC)-pamažu pakeičia tradicinius silicio-pagrįstus IGBT, kurie yra pagrindinis technologinis būdas padidinti sistemos efektyvumą ir sumažinti įrangos dydį.

 

Palyginti su tradicinėmis silicio medžiagomis, SiC puslaidininkiai pasižymi didesniu pralaidumu, didesniu kritiniu elektriniu lauku, mažesniais laidumo nuostoliais ir puikiu našumu aukštoje{0}}temperatūroje. Šie pranašumai leidžia SiC MOSFET veikti didesniu perjungimo dažniu, tuo pačiu leidžiant sumažinti magnetinių komponentų ir šilumos valdymo struktūrų dydį, taip padidinant bendrą galios tankį.

 

Tačiau didelės spartos{0}}perjungimo galimybės taip pat kelia naujų inžinerinių iššūkių. Didėjant galios įrenginių perjungimo greičiui, smarkiai pakyla srovės kitimo (di/dt) ir įtampos (dv/dt) greičiai. Esant tokioms sąlygoms, neišvengiami parazitiniai parametrai maitinimo grandinėje, -ypač kintamoji induktyvumas-, daro didelę įtaką sistemos veikimui.

 

Didelės spartos{0}}perjungimo metu kintamasis induktyvumas sukuria trumpalaikius įtampos šuolius pagal ryšį:

 

V=P × di/dt

 

Kai srovė greitai kinta, net nedidelis paklydimo induktyvumas gali sukelti dešimčių voltų ar daugiau įtampos viršijimą. Šios pereinamosios įtampos ne tik padidina maitinimo įrenginių įtampos įtampą, bet ir gali išstumti įrenginius už jų saugios veikimo zonos (SOA), taip sumažindamos sistemos patikimumą.

 

Todėl šiuolaikinėse didelės-galios konvertavimo sistemose maitinimo kilpos kintamo induktyvumo sumažinimas tapo esminiu projektavimo tikslu siekiant padidinti efektyvumą, pagerinti elektromagnetinių trukdžių (EMI) veikimą ir užtikrinti saugų puslaidininkinių įrenginių veikimą.

 

 

 

Klaidžioji induktyvumas nėra parametras, kurį sukuria vienas atskiras komponentas; veikiau tai yra visos srovės kilpos kolektyvinės geometrijos rezultatas. Ji pirmiausia atsiranda dėl pačių laidininkų induktyvumo, taip pat dėl ​​jungčių gnybtų, kabelių, PCB pėdsakų, vidinių maitinimo modulių pakuotės ir šynų sujungimo konstrukcijų.

 

Tradicinėse elektros energijos sistemose, kuriose naudojamos standartinės varinės šynos arba laidų laidai, dažnai yra didelis erdvinis atskyrimas tarp teigiamų ir neigiamų srovės takų, o tai padidina srovės kilpos plotą. Pagal elektromagnetizmo principus, kuo didesnis kilpos plotas, tuo platesnis sukuriamo magnetinio lauko diapazonas, tuo didesnis atitinkamas parazitinis induktyvumas.

 

Aukšto{0}}dažnio galios elektroninėse sistemose srovė teka ne tik per laidininko ilgį; vietoj to jis sukuria sudėtingą elektromagnetinio lauko pasiskirstymą aplinkinėje erdvėje. Todėl, norint sumažinti išsklaidytą induktyvumą, svarbu ne tik padidinti varinės šynos storį, bet ir optimizuoti srovės kelią, -kad teigiamos ir neigiamos grandinės kilpos būtų kuo arčiau viena kitos ir magnetinio lauko energijos kaupimosi sritis sumažinama iki minimumo.

 

Tai yra pagrindinė priežastis, kodėl didelio{0}}tankio laminuotos šynos taip plačiai naudojamos.

 

 

Laminuota šyna yra didelio našumo{0}}galios sujungimo struktūra, sudaryta sujungiant kelis laidžios medžiagos sluoksnius su izoliacine medžiaga. Paprastai jame yra labai laidžios medžiagos-, tokios kaip varis arba aliuminis-, kaip laidininkų sluoksniai, atskirti izoliacinėmis medžiagomis, kurios pasižymi puikiu dielektriniu stiprumu ir mechaniniu stabilumu; visas agregatas sujungiamas į vieningą struktūrą naudojant tokius procesus kaip karštas presavimas, klijavimas arba laminavimas.

 

Palyginti su tradicinėmis vieno sluoksnio varinėmis{0}}šynomis, didžiausias laminuotos konstrukcijos pranašumas yra jos gebėjimas pasiekti didelį teigiamo ir neigiamo srovės takų persidengimą.

 

Kai srovės, tekančios priešingomis kryptimis, eina per gretimus laidininkus, galioja elektromagnetinio lauko panaikinimo principas: dviejų srovių sukuriami magnetiniai laukai priešinasi vienas kitam, efektyviai sumažindami bendrą srovės kilpos sukuriamą magnetinį srautą ir taip sumažindami sistemos lygiavertį induktyvumą.

 

Vadinasi, laminuota šyna yra daugiau nei tik mechaninis sujungimo komponentas; tai kritinė elektromagnetinė struktūra, daranti įtaką galios elektroninių sistemų dinaminiam veikimui.

 

Didelės-galios keitikliuose, energijos kaupimo keitikliuose ir pramoninėje maitinimo įrangoje mažos-induktyvumo konstrukcija tapo pagrindine šynų konstrukcijų optimizavimo metrika. Pavyzdžiui, tam tikroms didelės spartos -perjungimo programoms reikalingos specialiai sukurtos laminuotos šynos-, pvz., naudojamos kintamo dažnio pavarose (VFD)-, kad atitiktų sistemos reikalavimus dėl greito reagavimo ir mažo{6}}nuostolių veikimo.

 

 

 

Didėjant elektroninės įrangos integravimo lygiui, laminuotos šynos išsiplėtė už tradicinių pramoninių maitinimo šaltinių, į įvairias{0}}didelės galios taikymo sritis.

 

Pavyzdžiui, serverių, telekomunikacijų įrangos ir duomenų centrų maitinimo sistemoms reikia labai patikimų energijos paskirstymo struktūrų, kad būtų sumažinti perdavimo nuostoliai. Atitinkamai, laminuotos šynos naudojamos didelio -tankio skaičiavimo įrangoje-, pvz., superkompiuterių plokštėse arba galinėse plokštėse-, kad būtų užtikrintas stabilus energijos tiekimas didelės spartos skaičiavimo platformoms.

 

Telekomunikacijų infrastruktūros srityje didelės galios{0}}bazinių stočių įrangai taip pat reikia kompaktiškų, efektyvių maitinimo prijungimo sprendimų; laminuotos šynos veiksmingai atitinka erdvės apribojimus ir poreikį nuolat veikti korinio bazinės stoties energijos paskirstymo metu.

 

Be to, didelio masto maitinimo sistemose laminuotos šynos naudojamos modulinėse maitinimo architektūrose-, pvz.,Maitinimo paskirstymo bloko (PDU) šynastruktūras,-siekiančias palengvinti mažų-nuostolių ryšį tarp kelių maitinimo modulių ir padidinti bendrą sistemos patikimumą.