Guia d'optimització de la inductància dispersa de barres de bus laminats: com reduir els pics de tensió i les pèrdues de commutació als inversors SiC

En la transició dels sistemes electrònics de potència dels IGBT de silici tradicionals als dispositius de carbur de silici (SiC), ha sorgit gradualment un problema clau: els dispositius de SiC tenen velocitats de commutació extremadament ràpides, però la inductància perduda del sistema pot dificultar greument el rendiment. Els pics de tensió i les oscil·lacions d'alta-freqüència causades per la inductància dispersa no només amenacen la seguretat del dispositiu, sinó que també disminueixen significativament els avantatges de rendiment del SiC. Les barres colectores laminades d'alta-densitat són la solució estructural bàsica per abordar aquest coll d'ampolla. En aquest article s'explicarà per què les barres colectores laminats poden reduir la inductància i com seleccionar-les en aplicacions pràctiques.

I. Si bé els dispositius de SiC són més ràpids, la inductància perduda es converteix en un obstacle important.

Els MOSFET de SiC canvien a velocitats més de deu vegades més ràpides que els dispositius de silici, donant lloc a una densitat i eficiència de potència més alta. Tanmateix, l'altra cara de la moneda és que un canvi més ràpid condueix a una taxa de canvi de corrent més alta (di/dt). Segons la fórmula V=L × di/dt, fins i tot una inductància dispersa de només uns quants nanohenries pot generar pics de tensió de centenars de volts a través del dispositiu. Aquests pics es superposen a la tensió del bus, i si superen el límit de tensió de resistència del dispositiu, es trencaran i es cremaran.

El més problemàtic és que la inductància dispersa també pot ressonar amb la capacitat de sortida dels dispositius SiC, generant oscil·lacions d'alta -freqüència (sonada). Aquesta oscil·lació augmenta les pèrdues de commutació i fa que el dispositiu s'escalfi, i també genera interferències electromagnètiques greus, evitant que el sistema superi la certificació EMC. Per seguretat, els enginyers sovint s'han de comprometre: o bé triar mòduls amb una tensió de resistència més alta (augmentant el cost i les pèrdues) o augmentar la resistència de la porta per reduir la velocitat de commutació (malbaratant directament l'avantatge-d'alta freqüència de SiC). L'aparició de barres laminades de tres-capes pretén eradicar aquest problema a nivell estructural.

II. Per què una barra colectora laminada en un convertidor d'alta-potència redueix la inductància?

Les barres tradicionals tenen dos conductors separats, amb corrents directes i inverses allunyats. Els camps magnètics que generen no es poden cancel·lar mútuament, donant lloc a una gran inductància dispersa. La idea bàsica d'una barra colectora laminada en un convertidor d'alta-potència és apilar els conductors cap endavant i cap enrere, fent-los funcionar molt junts. Les direccions del corrent són oposades, i les direccions del camp magnètic també són oposades; els dos camps magnètics s'anul·len mútuament, reduint la inductància dispersa a una-desena part o fins i tot menys de les solucions tradicionals.

Des del punt de vista de la classificació de productes, les barres colectores laminates no són barres conductores habituals, sinó components de potència passiva amb una estructura dissenyada amb precisió. Depenent del nombre de capes, les estructures comunes inclouen tres, quatre o fins i tot cinc capes. Com més capes, més compacta serà la trajectòria del corrent i menor serà la inductància. Com a component de connexió clau de l'inversor, el seu valor d'inductància determina directament el límit superior del rendiment dinàmic de tot l'inversor.

III. Com seleccionar barres de bus laminat per a diferents escenaris d'aplicació?

La lògica bàsica per a la selecció és: primer considereu el nivell de tensió, després la capacitat actual i, finalment, l'espai d'instal·lació.

Els vehicles d'energia nova són actualment l'àrea d'aplicació-de més ràpid creixement per a barres de bus combinades. Les barres d'autobusos laminats per a cotxes elèctrics han de transportar centenars d'amperes de corrent en un espai molt reduït, alhora que compleixen els requisits de vibració i temperatura d'automoció-. Normalment utilitzen estructures compostes multi-capes per equilibrar la baixa inductància i una alta fiabilitat.

El sector del trànsit ferroviari té requisits de seguretat extremadament elevats. Les barres de bus combinades de metro han de complir estàndards estrictes per a la protecció a prova d'explosió, a prova d'explosió, a prova d'incendis i a prova de corrosió{3}, alhora que controlen les interferències electromagnètiques a l'entorn tancat dels túnels subterranis. Per tant, sovint s'escullen productes amb dissenys protectors, com ara barres d'inversor a prova d'explosió d'alta tensió-.

Per a topologies complexes, com ara inversors de tres-nivells, les barres de bus combinades per a inversors de tres-nivells han d'integrar diversos busos positius i negatius dins d'una única barra colectora, donant lloc a una major complexitat estructural i a requisits més estrictes d'aïllament entre capes i precisió d'alineació. Les barres colectores laminates per a instal·lacions complexes de barres colectores estan dissenyades per a convertidors de freqüència industrials, sistemes d'emmagatzematge d'energia i altres aplicacions, i admeten dissenys personalitzats de múltiples-sucursals.