Leitfaden zur Optimierung der Streuinduktivität laminierter Sammelschienen: So reduzieren Sie Spannungsspitzen und Schaltverluste in SiC-Wechselrichtern

Beim Übergang leistungselektronischer Systeme von herkömmlichen Silizium-IGBTs zu Siliziumkarbid-Bauteilen (SiC) ist nach und nach ein zentrales Problem aufgetaucht: SiC-Bauteile haben extrem hohe Schaltgeschwindigkeiten, aber Streuinduktivität im System kann die Leistung erheblich beeinträchtigen. Spannungsspitzen und hochfrequente Schwingungen, die durch Streuinduktivität verursacht werden, gefährden nicht nur die Gerätesicherheit, sondern schmälern auch die Leistungsvorteile von SiC erheblich. Laminierte Sammelschienen mit hoher-Dichte sind die zentrale strukturelle Lösung zur Beseitigung dieses Engpasses. In diesem Artikel wird erklärt, warum laminierte Sammelschienen die Induktivität reduzieren können und wie man sie in praktischen Anwendungen auswählt.

I. Obwohl SiC-Geräte schneller sind, stellt die Streuinduktivität ein großes Hindernis dar.

SiC-MOSFETs schalten mit mehr als zehnmal höheren Geschwindigkeiten als Siliziumbauelemente, was zu einer höheren Leistungsdichte und Effizienz führt. Die Kehrseite der Medaille ist jedoch, dass schnelleres Schalten zu einer höheren Stromänderungsrate (di/dt) führt. Gemäß der Formel V=L × di/dt kann selbst eine Streuinduktivität von nur wenigen Nanohenry Spannungsspitzen von Hunderten von Volt im Gerät erzeugen. Diese Spitzen überlagern sich mit der Busspannung, und wenn sie die Spannungsfestigkeitsgrenze des Geräts überschreiten, kommt es zum Ausfall und Durchbrennen.

Noch problematischer ist, dass Streuinduktivität auch mit der Ausgangskapazität von SiC-Geräten in Resonanz treten kann und hochfrequente Schwingungen (Klingeln) erzeugt. Diese Schwingungen erhöhen die Schaltverluste und führen zu einer Erwärmung des Geräts. Darüber hinaus werden starke elektromagnetische Störungen erzeugt, die verhindern, dass das System die EMV-Zertifizierung besteht. Aus Sicherheitsgründen müssen Ingenieure oft Kompromisse eingehen: Entweder wählen sie Module mit höherer Spannungsfestigkeit (steigende Kosten und Verluste) oder erhöhen den Gate-Widerstand, um die Schaltgeschwindigkeit zu verlangsamen (wodurch der Hochfrequenzvorteil von SiC direkt verschwendet wird). Das Aufkommen dreischichtiger laminierter Stromschienen zielt darauf ab, dieses Problem auf struktureller Ebene zu beseitigen.

II. Warum verringert eine laminierte Sammelschiene in einem Hochleistungswandler die Induktivität?

Herkömmliche Sammelschienen haben zwei separate Leiter, wobei Vorwärts- und Rückwärtsströme weit voneinander entfernt sind. Die von ihnen erzeugten Magnetfelder können sich nicht gegenseitig aufheben, was zu einer hohen Streuinduktivität führt. Die Kernidee einer laminierten Sammelschiene in einem Hochleistungswandler besteht darin, die Vorwärts- und Rückwärtsleiter so zu stapeln, dass sie sehr nahe beieinander verlaufen. Die Stromrichtungen sind entgegengesetzt, und auch die Magnetfeldrichtungen sind entgegengesetzt; Die beiden Magnetfelder heben sich gegenseitig auf und reduzieren die Streuinduktivität auf ein -Zehntel oder sogar weniger im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen.

Aus Sicht der Produktklassifizierung handelt es sich bei laminierten Stromschienen nicht um gewöhnliche leitfähige Stromschienen, sondern vielmehr um passive Leistungskomponenten mit einer präzise konzipierten Struktur. Abhängig von der Anzahl der Schichten umfassen übliche Strukturen drei, vier oder sogar fünf Schichten. Je mehr Schichten vorhanden sind, desto kompakter ist der Strompfad und desto geringer ist die Induktivität. Als wichtige Verbindungskomponente im Wechselrichter bestimmt sein Induktivitätswert direkt die Obergrenze der dynamischen Leistung des gesamten Wechselrichters.

III. Wie wählt man laminierte Stromschienen für verschiedene Anwendungsszenarien aus?

Die Kernlogik für die Auswahl lautet: Zuerst den Spannungspegel berücksichtigen, dann die Stromkapazität und schließlich den Einbauraum.

New-Energy-Fahrzeuge sind derzeit der am schnellsten wachsende Anwendungsbereich für laminierte Stromschienen. Laminierte Stromschienen für Elektroautos müssen Hunderte Ampere Strom auf sehr kleinem Raum transportieren und gleichzeitig die Vibrations- und Temperaturwechselanforderungen der Automobilindustrie- erfüllen. Sie verwenden typischerweise mehrschichtige Verbundstrukturen, um niedrige Induktivität und hohe Zuverlässigkeit auszugleichen.

Im Schienenverkehr gelten extrem hohe Sicherheitsanforderungen. Beschichtete U-Bahn-Sammelschienen müssen strenge Standards für Explosions--, Feuer-- und Korrosionsschutz- erfüllen und gleichzeitig elektromagnetische Störungen in der geschlossenen Umgebung von unterirdischen Tunneln kontrollieren. Daher werden häufig Produkte mit Schutzkonstruktionen, wie z. B. explosionsgeschützte Hochspannungs-Wechselrichter-Sammelschienen, gewählt.

Bei komplexen Topologien wie drei{0}}Ebenen-Wechselrichtern müssen laminierte Sammelschienen für drei-Ebenen-Wechselrichter mehrere positive und negative Busse in einer einzigen Sammelschiene integrieren, was zu einer höheren strukturellen Komplexität und strengeren Anforderungen an die Zwischenschichtisolierung und Ausrichtungsgenauigkeit führt. Laminierte Sammelschienen für komplexe Sammelschieneninstallationen sind für industrielle Frequenzumrichter, Energiespeichersysteme und andere Anwendungen konzipiert und unterstützen kundenspezifische Designs mit mehreren Zweigen.