Entwurfsprinzipien von gestapelten Sammelschienen mit geringer-Streu-Induktivität und hoher-Dichte und Analyse ihrer Anwendung in leistungsstarken elektronischen Leistungssystemen

 

Angetrieben durch Fortschritte bei neuen Energiefahrzeugen, Energiespeichersystemen, Schienentransport, industrieller Automatisierung und Smart-Grid-Technologien entwickeln sich leistungsstarke elektronische Geräte hin zu höheren Spannungen, höheren Frequenzen und höheren Leistungsdichten. In diesem Prozess ersetzen Halbleiterbauelemente der nächsten-Generation mit großer-Bandlücke-am Beispiel von Siliziumkarbid (SiC)-nach und nach herkömmliche IGBTs auf Siliziumbasis-und dienen als wichtiger technologischer Weg zur Verbesserung der Systemeffizienz und zur Reduzierung der Gerätegröße.

 

Im Vergleich zu herkömmlichen Siliziummaterialien bieten SiC-Halbleiter eine größere Bandlücke, ein höheres kritisches elektrisches Feld, geringere Leitungsverluste und eine überlegene Hochtemperaturleistung. Diese Vorteile ermöglichen den Betrieb von SiC-MOSFETs bei höheren Schaltfrequenzen und ermöglichen gleichzeitig die Verkleinerung magnetischer Komponenten und Wärmemanagementstrukturen, wodurch die Gesamtleistungsdichte erhöht wird.

 

Hochgeschwindigkeits-Switching-Funktionen bringen jedoch auch neue technische Herausforderungen mit sich. Mit zunehmender Schaltgeschwindigkeit von Leistungsgeräten steigen die Stromänderungsraten (di/dt) und die Spannung (dv/dt) deutlich an. Unter diesen Bedingungen üben unvermeidbare parasitäre Parameter innerhalb der Leistungsschleife -vor allem Streuinduktivität- einen erheblichen Einfluss auf die Systemleistung aus.

 

Beim Hochgeschwindigkeitsschalten erzeugt die Streuinduktivität vorübergehende Spannungsspitzen gemäß der Beziehung:

 

V=L × di/dt

 

Wenn sich der Strom schnell ändert, kann selbst eine winzige Streuinduktivität zu Spannungsüberschreitungen von mehreren zehn Volt oder mehr führen. Diese transienten Spannungen erhöhen nicht nur die Spannungsbelastung von Stromversorgungsgeräten, sondern können auch dazu führen, dass Geräte ihren sicheren Betriebsbereich (SOA) überschreiten, wodurch die Systemzuverlässigkeit beeinträchtigt wird.

 

Folglich ist in modernen Hochleistungsumwandlungssystemen die Minimierung der Streuinduktivität der Leistungsschleife zu einem entscheidenden Designziel geworden, um die Effizienz zu steigern, die Leistung elektromagnetischer Interferenzen (EMI) zu verbessern und den sicheren Betrieb von Halbleiterbauelementen sicherzustellen.

 

 

 

Streuinduktivität ist kein Parameter, der von einer einzelnen, diskreten Komponente erzeugt wird; Vielmehr ist es das Ergebnis der kollektiven Geometrie der gesamten Stromschleife. Sie entsteht hauptsächlich durch die Induktivität der Leiter selbst sowie durch Anschlussklemmen, Kabel, Leiterplattenbahnen, interne Verpackungen von Leistungsmodulen und Sammelschienen-Verbindungsstrukturen.

 

In herkömmlichen Stromversorgungssystemen, die Standard-Sammelschienen oder Kabelbäume aus Kupfer verwenden, besteht häufig eine erhebliche räumliche Trennung zwischen den positiven und negativen Strompfaden, was die Fläche der Stromschleife vergrößert. Gemäß den Prinzipien des Elektromagnetismus ist die Reichweite des erzeugten Magnetfelds umso größer und die entsprechende parasitäre Induktivität umso höher, je größer die Schleifenfläche ist.

 

In leistungselektronischen Hochfrequenzsystemen fließt der Strom nicht einfach entlang der Länge eines Leiters; Stattdessen entsteht eine komplexe elektromagnetische Feldverteilung im gesamten umgebenden Raum. Daher liegt der Schlüssel zur Reduzierung der Streuinduktivität nicht nur in der Erhöhung der Dicke der Kupfersammelschiene, sondern auch in der Optimierung des Strompfads-, indem die positiven und negativen Schaltkreisschleifen so nah wie möglich aneinander gebracht werden und die Bereiche, in denen Magnetfeldenergie gespeichert wird, minimiert werden.

 

Dies ist einer der Hauptgründe, warum laminierte Stromschienen mit hoher -Dichte so weit verbreitet sind.

 

 

Eine laminierte Sammelschiene ist eine hochleistungsfähige Stromverbindungsstruktur, die durch die Kombination mehrerer Schichten aus leitfähigem Material mit isolierenden Medien entsteht. Typischerweise bestehen sie aus hochleitfähigen Materialien-wie Kupfer oder Aluminium-als Leiterschichten, die durch Isoliermaterialien getrennt sind, die eine hervorragende Durchschlagsfestigkeit und mechanische Stabilität bieten; Die gesamte Baugruppe wird durch Prozesse wie Heißpressen, Kleben oder Laminieren zu einer einheitlichen Struktur verbunden.

 

Im Vergleich zu herkömmlichen einschichtigen Kupferschienen besteht der größte Vorteil der laminierten Struktur darin, dass sie einen hohen Grad an Überlappung zwischen den positiven und negativen Strompfaden erreichen kann.

 

Wenn in entgegengesetzte Richtungen fließende Ströme durch benachbarte Leiter fließen, gilt das Prinzip der Aufhebung elektromagnetischer Felder: Die von den beiden Strömen erzeugten Magnetfelder sind einander entgegengesetzt, wodurch der gesamte von der Stromschleife erzeugte magnetische Fluss effektiv reduziert und dadurch die äquivalente Induktivität des Systems verringert wird.

 

Somit ist eine laminierte Stromschiene mehr als nur ein mechanisches Verbindungselement; Es handelt sich um eine kritische elektromagnetische Struktur, die die dynamische Leistung leistungselektronischer Systeme beeinflusst.

 

Bei Hochleistungswechselrichtern, Energiespeicherwandlern und industriellen Stromversorgungsgeräten ist das Design mit niedriger-Induktivität zu einem Schlüsselmaß für die Optimierung von Sammelschienenstrukturen geworden. Beispielsweise erfordern bestimmte Hochgeschwindigkeits-Schaltanwendungen speziell entwickelte laminierte Sammelschienen-wie sie in Antrieben mit variabler Frequenz (VFDs) verwendet werden-um die Anforderungen des Systems an eine schnelle Reaktion und einen verlustarmen Betrieb-zu erfüllen.

 

 

 

Da der Integrationsgrad elektronischer Geräte zunimmt, haben sich laminierte Stromschienen über die traditionellen Bereiche der industriellen Stromversorgung hinaus auf verschiedene Anwendungsbereiche mit hoher Leistung ausgeweitet.

 

Beispielsweise erfordern Stromversorgungssysteme in Servern, Telekommunikationsgeräten und Rechenzentren äußerst zuverlässige Stromverteilungsstrukturen, um Übertragungsverluste zu minimieren. Dementsprechend werden laminierte Stromschienen in Computergeräten mit hoher -Dichte-wie in Supercomputer-Leiterplatten oder Backplanes-verwendet, um eine stabile Stromversorgung für Hochgeschwindigkeits-Rechenplattformen zu gewährleisten.

 

Im Bereich der Telekommunikationsinfrastruktur erfordern leistungsstarke Basisstationsgeräte auch kompakte, effiziente Stromanschlusslösungen. Laminierte Sammelschienen erfüllen effektiv die Platzbeschränkungen und die Notwendigkeit eines kontinuierlichen Betriebs bei der Stromverteilung von Mobilfunk-Basisstationen.

 

Darüber hinaus werden in großen Energiesystemen-laminierte Sammelschienen in modularen Energiearchitekturen verwendet-wie inStromverteilereinheit (PDU)-SammelschieneStrukturen-um verlustarme-Verbindungen zwischen mehreren Leistungsmodulen zu ermöglichen und die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems zu verbessern.