Αρχές σχεδίασης χαμηλών-Stray-Inductance High-Density Stacked Busbars και ανάλυση της εφαρμογής τους σε ηλεκτρονικά συστήματα υψηλής ισχύος-

 

Με γνώμονα τις εξελίξεις στα νέα ενεργειακά οχήματα, τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, τις σιδηροδρομικές μεταφορές, τους βιομηχανικούς αυτοματισμούς και τις τεχνολογίες έξυπνων δικτύων, ο ηλεκτρονικός εξοπλισμός υψηλής ισχύος{{0} εξελίσσεται προς υψηλότερες τάσεις, υψηλότερες συχνότητες και υψηλότερες πυκνότητες ισχύος. Σε αυτή τη διαδικασία, οι συσκευές ημιαγωγών ευρείας-επόμενης γενιάς-που αποτελούν παράδειγμα καρβιδίου του πυριτίου (SiC)-αντικαθιστούν σταδιακά τα παραδοσιακά IGBT που βασίζονται σε πυρίτιο-, χρησιμεύοντας ως βασικό τεχνολογικό μονοπάτι για τη βελτίωση της απόδοσης του εξοπλισμού του συστήματος και τη μείωση του μεγέθους.

 

Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά υλικά πυριτίου, οι ημιαγωγοί SiC προσφέρουν μεγαλύτερο διάκενο ζώνης, υψηλότερο κρίσιμο ηλεκτρικό πεδίο, χαμηλότερες απώλειες αγωγιμότητας και ανώτερη απόδοση σε υψηλές-θερμοκρασίες. Αυτά τα πλεονεκτήματα επιτρέπουν στα SiC MOSFET να λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες μεταγωγής, ενώ επιτρέπουν τη μείωση του μεγέθους των μαγνητικών στοιχείων και των δομών θερμικής διαχείρισης, αυξάνοντας έτσι τη συνολική πυκνότητα ισχύος.

 

Ωστόσο, οι-δυνατότητες μεταγωγής υψηλής ταχύτητας εισάγουν επίσης νέες προκλήσεις μηχανικής. Καθώς η ταχύτητα μεταγωγής των συσκευών ισχύος αυξάνεται, οι ρυθμοί μεταβολής του ρεύματος (di/dt) και της τάσης (dv/dt) αυξάνονται σημαντικά. Υπό αυτές τις συνθήκες, οι αναπόφευκτες παρασιτικές παράμετροι εντός του βρόχου ισχύος-κυρίως η αδέσποτη επαγωγή-ασκούν σημαντικό αντίκτυπο στην απόδοση του συστήματος.

 

Κατά τη διάρκεια της μεταγωγής υψηλής-ταχύτητας, η αδέσποτη αυτεπαγωγή δημιουργεί μεταβατικές αιχμές τάσης σύμφωνα με τη σχέση:

 

V=L × di/dt

 

Όταν το ρεύμα αλλάζει γρήγορα, ακόμη και μια μικρή ποσότητα αδέσποτης αυτεπαγωγής μπορεί να προκαλέσει υπερβάσεις τάσης δεκάδων βολτ ή περισσότερο. Αυτές οι μεταβατικές τάσεις όχι μόνο αυξάνουν την τάση τάσης στις συσκευές ισχύος, αλλά μπορούν επίσης να ωθήσουν τις συσκευές πέρα ​​από την ασφαλή περιοχή λειτουργίας τους (SOA), με αποτέλεσμα να διακυβεύεται η αξιοπιστία του συστήματος.

 

Κατά συνέπεια, στα σύγχρονα συστήματα μετατροπής υψηλής-ισχύος, η ελαχιστοποίηση της αδέσποτης επαγωγής βρόχου ισχύος έχει καταστεί κρίσιμος στόχος σχεδιασμού για τη βελτίωση της απόδοσης, τη βελτίωση της απόδοσης ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI) και τη διασφάλιση της ασφαλούς λειτουργίας των συσκευών ημιαγωγών.

 

 

 

Η αδέσποτη επαγωγή δεν είναι παράμετρος που δημιουργείται από ένα μεμονωμένο, διακριτό στοιχείο. μάλλον, είναι το αποτέλεσμα της συλλογικής γεωμετρίας ολόκληρου του τρέχοντος βρόχου. Προκύπτει κυρίως από την αυτεπαγωγή των ίδιων των αγωγών, καθώς και από τους ακροδέκτες σύνδεσης, τα καλώδια, τα ίχνη PCB, τη συσκευασία της εσωτερικής μονάδας ισχύος και τις δομές διασύνδεσης ζυγών.

 

Στα παραδοσιακά συστήματα ισχύος που χρησιμοποιούν τυπικούς χάλκινους ζυγούς ή καλωδιώσεις, υπάρχει συχνά σημαντικός χωρικός διαχωρισμός μεταξύ της θετικής και αρνητικής διαδρομής ρεύματος, γεγονός που αυξάνει την περιοχή του βρόχου ρεύματος. Σύμφωνα με τις αρχές του ηλεκτρομαγνητισμού, όσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή του βρόχου, τόσο μεγαλύτερο είναι το εύρος του παραγόμενου μαγνητικού πεδίου και τόσο μεγαλύτερη είναι η αντίστοιχη παρασιτική επαγωγή.

 

Στα ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος υψηλής-συχνότητας, το ρεύμα δεν ρέει απλώς κατά μήκος ενός αγωγού. Αντίθετα, δημιουργεί μια πολύπλοκη κατανομή ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε όλο τον περιβάλλοντα χώρο. Επομένως, το κλειδί για τη μείωση της αδέσποτης επαγωγής δεν έγκειται απλώς στην αύξηση του πάχους της χάλκινης ράβδου, αλλά στη βελτιστοποίηση της τρέχουσας διαδρομής-να φέρει όσο το δυνατόν πιο κοντά τους βρόχους θετικού και αρνητικού κυκλώματος και στην ελαχιστοποίηση των περιοχών όπου αποθηκεύεται η ενέργεια του μαγνητικού πεδίου.

 

Αυτός είναι ο πρωταρχικός λόγος για τον οποίο-πολυστρωμένα ζυγοί υψηλής πυκνότητας χρησιμοποιούνται τόσο ευρέως.

 

 

Μια πλαστικοποιημένη ράβδος είναι μια δομή διασύνδεσης ισχύος-υψηλής απόδοσης που σχηματίζεται από το συνδυασμό πολλαπλών στρωμάτων αγώγιμου υλικού με μονωτικά μέσα. Συνήθως, διαθέτει υλικά υψηλής αγωγιμότητας-όπως χαλκό ή αλουμίνιο-όπως τα στρώματα αγωγών, διαχωρισμένα από μονωτικά υλικά που προσφέρουν εξαιρετική διηλεκτρική αντοχή και μηχανική σταθερότητα. ολόκληρο το συγκρότημα συγκολλάται σε μια ενοποιημένη δομή μέσω διεργασιών όπως η θερμή συμπίεση, η συγκόλληση με κόλλα ή η πλαστικοποίηση.

 

Σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς χάλκινους διαύλους μονής-επιπέδου, το μεγαλύτερο πλεονέκτημα της πολυστρωματικής δομής είναι η ικανότητά της να επιτυγχάνει υψηλό βαθμό επικάλυψης μεταξύ της θετικής και αρνητικής διαδρομής ρεύματος.

 

Όταν ρεύματα που ρέουν σε αντίθετες κατευθύνσεις διέρχονται από παρακείμενους αγωγούς, ισχύει η αρχή της ακύρωσης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου: τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από τα δύο ρεύματα αντιτίθενται μεταξύ τους, μειώνοντας αποτελεσματικά τη συνολική μαγνητική ροή που παράγεται από τον βρόχο ρεύματος και έτσι μειώνεται η ισοδύναμη επαγωγή του συστήματος.

 

Κατά συνέπεια, μια πλαστικοποιημένη ράβδος είναι κάτι περισσότερο από ένα απλό εξάρτημα μηχανικής σύνδεσης. Είναι μια κρίσιμη ηλεκτρομαγνητική δομή που επηρεάζει τη δυναμική απόδοση των ηλεκτρονικών συστημάτων ισχύος.

 

Στους μετατροπείς υψηλής-ισχύς, στους μετατροπείς αποθήκευσης ενέργειας και στον βιομηχανικό εξοπλισμό τροφοδοσίας ισχύος, ο σχεδιασμός χαμηλής-επαγωγής έχει γίνει βασική μέτρηση για τη βελτιστοποίηση των δομών ζυγών. Για παράδειγμα, ορισμένες-εφαρμογές μεταγωγής υψηλής ταχύτητας απαιτούν ειδικά σχεδιασμένους πολυστρωματικούς διαύλους-όπως αυτοί που χρησιμοποιούνται σε μονάδες μεταβλητής συχνότητας (VFD)-για την κάλυψη των απαιτήσεων του συστήματος για γρήγορη απόκριση και λειτουργία χαμηλών-απωλειών.

 

 

 

Καθώς το επίπεδο ενσωμάτωσης του ηλεκτρονικού εξοπλισμού αυξάνεται, οι πολυστρωματικές ράβδοι έχουν επεκταθεί πέρα ​​από τους παραδοσιακούς τομείς βιομηχανικής παροχής ενέργειας σε διάφορους τομείς εφαρμογής υψηλής- ισχύος.

 

Για παράδειγμα, τα συστήματα ισχύος σε διακομιστές, τηλεπικοινωνιακό εξοπλισμό και κέντρα δεδομένων απαιτούν πολύ αξιόπιστες δομές διανομής ενέργειας για την ελαχιστοποίηση των απωλειών μετάδοσης. Αντίστοιχα, πολυστρωματικοί δίαυλοι χρησιμοποιούνται σε υπολογιστικό εξοπλισμό υψηλής πυκνότητας-όπως σε πλακέτες κυκλωμάτων υπερυπολογιστών ή οπίσθια επίπεδα-για να διασφαλιστεί η σταθερή παροχή ισχύος για υπολογιστικές πλατφόρμες υψηλής-ταχύτητας.

 

Στον τομέα της τηλεπικοινωνιακής υποδομής, ο εξοπλισμός σταθμών βάσης υψηλής- ισχύος απαιτεί επίσης συμπαγείς, αποδοτικές λύσεις σύνδεσης ισχύος. Οι πολυστρωματικές ράβδοι ανταποκρίνονται αποτελεσματικά στους περιορισμούς όσον αφορά το χώρο και την ανάγκη για συνεχή λειτουργία στη διανομή ισχύος του κυψελοειδούς σταθμού βάσης.

 

Επιπλέον, σε συστήματα ισχύος-μεγάλης κλίμακας, οι πολυστρωματικοί δίαυλοι χρησιμοποιούνται σε αρθρωτές αρχιτεκτονικές ισχύος-όπως π.χ.Δίαυλος Μονάδας Διανομής Ισχύος (PDU).δομές-για τη διευκόλυνση των συνδέσεων χαμηλών-απωλειών μεταξύ πολλαπλών μονάδων ισχύος και τη βελτίωση της συνολικής αξιοπιστίας του συστήματος.