Princípios de projeto de barramentos empilhados de baixa-dispersão-indutância e alta{2}}densidade e análise de sua aplicação em sistemas eletrônicos de alta potência-

 

Impulsionados pelos avanços em novos veículos de energia, sistemas de armazenamento de energia, transporte ferroviário, automação industrial e tecnologias de redes inteligentes, os equipamentos eletrônicos de alta-potência estão evoluindo para tensões e frequências mais altas e densidades de energia mais altas. Nesse processo, a próxima-geração de dispositivos semicondutores-de banda larga larga-exemplificados pelo carboneto de silício (SiC)-estão gradualmente substituindo os IGBTs tradicionais-baseados em silício, servindo como um caminho tecnológico essencial para melhorar a eficiência do sistema e reduzir o tamanho do equipamento.

 

Em comparação com materiais de silício tradicionais, os semicondutores de SiC oferecem um bandgap mais amplo, um campo elétrico crítico mais alto, perdas de condução mais baixas e desempenho superior-em altas temperaturas. Essas vantagens permitem que os MOSFETs de SiC operem em frequências de comutação mais altas, ao mesmo tempo que permitem a redução de componentes magnéticos e estruturas de gerenciamento térmico, aumentando assim a densidade geral de potência.

 

No entanto, os recursos de comutação de alta-velocidade também apresentam novos desafios de engenharia. À medida que a velocidade de comutação dos dispositivos de potência aumenta, as taxas de mudança de corrente (di/dt) e tensão (dv/dt) aumentam significativamente. Nessas condições, parâmetros parasitas inevitáveis ​​dentro do circuito de energia-principalmente a indutância parasita-exercem um impacto substancial no desempenho do sistema.

 

Durante a comutação-de alta velocidade, a indutância parasita gera picos de tensão transitórios de acordo com a relação:

 

V=L × di/dt

 

Quando a corrente muda rapidamente, mesmo uma pequena quantidade de indutância parasita pode produzir excessos de tensão de dezenas de volts ou mais. Essas tensões transitórias não apenas aumentam o estresse de tensão nos dispositivos de energia, mas também podem empurrar os dispositivos para além de sua Área Operacional Segura (SOA), comprometendo assim a confiabilidade do sistema.

 

Consequentemente, em sistemas modernos de alta-conversão de energia, minimizar a indutância parasita do circuito de energia tornou-se um objetivo crítico do projeto para aumentar a eficiência, melhorar o desempenho da interferência eletromagnética (EMI) e garantir a operação segura de dispositivos semicondutores.

 

 

 

A indutância parasita não é um parâmetro gerado por um componente único e discreto; em vez disso, é o resultado da geometria coletiva de todo o circuito atual. Surge principalmente da indutância dos próprios condutores, bem como dos terminais de conexão, cabos, traços de PCB, embalagem interna do módulo de potência e estruturas de interconexão de barramentos.

 

Em sistemas de energia tradicionais que utilizam barramentos ou chicotes elétricos de cobre padrão, muitas vezes há uma separação espacial significativa entre os caminhos de corrente positivos e negativos, o que aumenta a área do circuito de corrente. De acordo com os princípios do eletromagnetismo, quanto maior a área do loop, maior será o alcance do campo magnético gerado e maior será a indutância parasita correspondente.

 

Em sistemas eletrônicos de potência-de alta frequência, a corrente não flui simplesmente ao longo do comprimento de um condutor; em vez disso, cria uma distribuição complexa de campo eletromagnético por todo o espaço circundante. Portanto, a chave para reduzir a indutância parasita não reside apenas no aumento da espessura do barramento de cobre, mas na otimização do caminho da corrente-, trazendo os circuitos positivos e negativos o mais próximos possível e minimizando as regiões onde a energia do campo magnético é armazenada.

 

Esse é o principal motivo pelo qual os barramentos laminados de alta-densidade são tão amplamente usados.

 

 

Um barramento laminado é uma estrutura de interconexão de energia de alto-desempenho formada pela combinação de diversas camadas de material condutor com meio isolante. Normalmente, ele apresenta materiais altamente condutores-como cobre ou alumínio-como camadas condutoras, separadas por materiais isolantes que oferecem excelente resistência dielétrica e estabilidade mecânica; todo o conjunto é unido em uma estrutura unificada por meio de processos como prensagem a quente, ligação adesiva ou laminação.

 

Em comparação com os barramentos de cobre-de camada única tradicionais, a maior vantagem da estrutura laminada é sua capacidade de atingir um alto grau de sobreposição entre os caminhos de corrente positivos e negativos.

 

Quando correntes que fluem em direções opostas passam por condutores adjacentes, aplica-se o princípio do cancelamento do campo eletromagnético: os campos magnéticos gerados pelas duas correntes se opõem, reduzindo efetivamente o fluxo magnético total produzido pelo circuito de corrente e diminuindo assim a indutância equivalente do sistema.

 

Conseqüentemente, um barramento laminado é mais do que apenas um componente de conexão mecânica; é uma estrutura eletromagnética crítica que influencia o desempenho dinâmico dos sistemas eletrônicos de potência.

 

Em inversores-de alta potência, conversores de armazenamento de energia e equipamentos de fornecimento de energia industrial, o projeto de baixa-indutância tornou-se uma métrica fundamental para otimizar estruturas de barramentos. Por exemplo, certas aplicações de comutação de alta-velocidade exigem barramentos laminados especialmente projetados-como aqueles usados ​​em unidades de frequência variável (VFDs)-para atender aos requisitos do sistema para resposta rápida e operação com-baixas perdas.

 

 

 

À medida que o nível de integração de equipamentos eletrônicos aumenta, os barramentos laminados se expandem além dos setores tradicionais de fornecimento de energia industrial para diversas áreas de aplicação de alta-potência.

 

Por exemplo, os sistemas de energia em servidores, equipamentos de telecomunicações e centros de dados requerem estruturas de distribuição de energia altamente fiáveis ​​para minimizar as perdas de transmissão. Conseqüentemente, barramentos laminados são empregados em equipamentos de computação de alta-densidade-como placas de circuito de supercomputadores ou backplanes-para garantir fornecimento de energia estável para plataformas de computação de alta-velocidade.

 

No domínio da infraestrutura de telecomunicações, os equipamentos de estação base de alta-potência também exigem soluções de conexão de energia compactas e eficientes; os barramentos laminados atendem efetivamente às restrições de espaço e à necessidade de operação contínua na distribuição de energia da estação base celular.

 

Além disso, em sistemas de energia de grande-escala, os barramentos laminados são utilizados em arquiteturas de energia modulares-como emBarramento da unidade de distribuição de energia (PDU)estruturas-para facilitar conexões-de baixas perdas entre vários módulos de energia e melhorar a confiabilidade geral do sistema.