Laminierte Wechselrichter-Sammelschienen: Prinzip der Reduzierung der parasitären Induktivität und wichtige Überlegungen für das Hochstromdesign

Der Hauptvorteil des laminierten Kupferstabs liegt in seiner laminierten „Sandwich“-Struktur.{0}}Positiv und negativ leitende Kupferschichten sind durch ein Isoliermedium (z. B. Polyimid oder Epoxidharz) dicht aneinander gestapelt und bilden Leiterschleifen mit entgegengesetzten Stromrichtungen und überlappenden räumlichen Positionen. Wenn ein hochfrequenter Strom fließt, erzeugt der Strom in den positiven und negativen Kupferschichten Magnetfelder gleicher Stärke, aber entgegengesetzter Richtung. Diese Magnetfelder heben sich gegenseitig auf, wodurch die gesamte magnetische Flussverkettung der Schleife erheblich geschwächt wird und somit die parasitäre Induktivität erheblich verringert wird. Tatsächliche Messdaten zeigen, dass eine 200 mm lange, 100 mm breite und 0,5 mm dicke Sammelschiene aus laminiertem Kupfer ihre parasitäre Induktivität auf 3–5 nH steuern kann, während die parasitäre Induktivität einer parallelen Sammelschiene derselben Größe bis zu 110 nH erreichen kann, was einem Unterschied von mehr als dem Zwanzigfachen entspricht. Diese Eigenschaft mit geringer Induktivität unterdrückt nicht nur Spannungsspitzen, sondern reduziert auch Schaltverluste, verringert elektromagnetische Störungen (EMI) und verbessert die Effizienz und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems.

Beim Design laminierter Stromschienen für die Telekommunikation müssen vier Kernelemente beachtet werden: Erstens müssen die positiven und negativen Kupferschichten streng parallel und überlappend sein, um den Überlappungsbereich des Strompfads zu maximieren und die verbleibende Schleifenfläche zu minimieren. Zweitens sollte die Dicke der Isolationsschicht so gering wie möglich gehalten werden. Theoretisch gilt: Je kleiner der Abstand, desto signifikanter ist der Effekt der Magnetfeldunterdrückung. Drittens muss die Breite der laminierten Sammelschiene angemessen ausgelegt werden, da eine breitere Kupferschicht die Gleichmäßigkeit der Stromverteilung unter dem Hochfrequenz-Skin-Effekt verbessern und die Induktivität weiter unterdrücken kann. Viertens müssen die Montagelochpositionen symmetrisch angeordnet sein, um sicherzustellen, dass der Verbindungsabstand zwischen Leistungsgeräten (z. B. IGBTs) und DC-Unterstützungskondensatoren minimiert wird, wodurch zusätzliche Schleifeninduktivität reduziert wird. Darüber hinaus bieten laminierte Wechselrichter-Sammelschienen auch Vorteile wie eine hohe Strombelastbarkeit (3-5 A/mm² pro Querschnittsfläche), eine hohe Wärmeableitungseffizienz (mehrschichtige dünne Kupferstruktur vergrößert die Wärmeableitungsfläche) und eine kompakte Struktur (integriertes Design ersetzt verstreute Kabel) und werden häufig in Hochstromszenarien wie Wechselrichtern für neue Energiefahrzeuge, Photovoltaik-Energiespeicherwandlern, industriellen Frequenzumrichtern und der Traktion im Schienenverkehr eingesetzt Systeme.

Die Quantifizierung der parasitären Induktivität erfordert einen Doppelimpulstest, bei dem es sich um eine branchenübliche Prüfmethode handelt. Während des Tests muss eine Halbbrückenschaltung aufgebaut werden. Über den Low-{6}-Schalter wird ein Doppel---Impulssignal angelegt und die Kollektor--Emitterspannung (Vce) und die Stromwellenformen des Ober--Zweiggeräts (z. B. eines IGBT) werden gemessen. Es ist wichtig, den Einschalttransienten (und nicht den Ausschalttransienten) für die Messung auszuwählen, da die Stromänderung beim Einschalten stabiler ist und Störungen durch den Rückstrom der Freilaufdiode vermieden werden. Gemäß der Formel L=ΔVce / (di/dt) kann die gesamte parasitäre Induktivität der Schleife durch Ablesen der Spannungsspitze (ΔVce) und der Stromänderungsrate (di/dt) zum Einschaltzeitpunkt berechnet werden. In tatsächlichen Messungen beträgt die parasitäre Induktivität der Schleife bei laminierten Sammelschienenverbindern typischerweise etwa 75 nH, während die parasitäre Induktivität herkömmlicher paralleler Sammelschienen 200 nH übersteigt, was die erheblichen Vorteile der laminierten Struktur bestätigt.

Bei der Auswahl einer Stromversorgung muss die passende Lösung auf Basis der Stromstärke ausgewählt werden: Für Anwendungen unter 100 A können herkömmliche laminierte Sammelschienen-Stromversorgungslösungen mit einer Isolationsschichtdicke von 0,2 - 0,3 mm verwendet werden; für 100-500A-Anwendungen sind eine dickere Kupferschicht und eine Isolationsschichtdicke von 0,3-0,5 mm erforderlich; Für 500-1000-A-Anwendungen ist ein mehrschichtiger Stapelaufbau mit einer Isolationsschichtdicke von 0,5 mm erforderlich. und für Anwendungen über 1000 A ist ein kundenspezifisches Design erforderlich, bei dem Stromverteilung und Kurzschlussfestigkeit durch Simulation optimiert werden. Der Designprozess muss dem Prinzip der Minimierung der Stromschleifenfläche folgen und gleichzeitig die Anforderungen an die Wärmeableitung und die mechanische Festigkeit berücksichtigen. Bei Hochspannungsanwendungen muss auch die Spannungsfestigkeit der Isolation überprüft werden.