Guia de otimização de indutância dispersa de barramentos laminados: como reduzir picos de tensão e perdas de comutação em inversores SiC

Na transição de sistemas eletrônicos de potência de IGBTs de silício tradicionais para dispositivos de carboneto de silício (SiC), uma questão importante surgiu gradualmente: os dispositivos de SiC têm velocidades de comutação extremamente rápidas, mas a indutância parasita no sistema pode prejudicar gravemente o desempenho. Picos de tensão e oscilações de alta-frequência causadas por indutância parasita não apenas ameaçam a segurança do dispositivo, mas também diminuem significativamente as vantagens de desempenho do SiC. Barramentos laminados-de alta densidade são a principal solução estrutural para resolver esse gargalo. Este artigo explicará por que os barramentos laminados podem reduzir a indutância e como selecioná-los em aplicações práticas.

I. Embora os dispositivos SiC sejam mais rápidos, a indutância parasita torna-se um grande obstáculo.

Os MOSFETs de SiC alternam em velocidades dez vezes mais rápidas que os dispositivos de silício, resultando em maior densidade de potência e eficiência. No entanto, o outro lado da moeda é que uma comutação mais rápida leva a uma maior taxa de variação da corrente (di/dt). De acordo com a fórmula V=L × di/dt, mesmo uma indutância parasita de apenas alguns nanohenries pode gerar picos de tensão de centenas de volts no dispositivo. Esses picos se sobrepõem à tensão do barramento e, se excederem o limite de tensão suportável do dispositivo, irão quebrar e queimar.

Mais problemático é que a indutância parasita também pode ressoar com a capacitância de saída dos dispositivos SiC, gerando oscilações de alta-frequência (toque). Essa oscilação aumenta as perdas de comutação e faz com que o dispositivo aqueça, além de gerar interferência eletromagnética severa, impedindo o sistema de passar na certificação EMC. Por questões de segurança, os engenheiros muitas vezes precisam fazer concessões: escolher módulos com tensão suportável mais alta (aumentando custos e perdas) ou aumentar a resistência da porta para diminuir a velocidade de comutação (desperdiçando diretamente a vantagem-de alta frequência do SiC). O surgimento de barramentos laminados de três camadas visa erradicar esse problema no nível estrutural.

II. Por que um barramento laminado em um conversor de alta-potência reduz a indutância?

Os barramentos tradicionais possuem dois condutores separados, com correntes direta e reversa distantes umas das outras. Os campos magnéticos que eles geram não podem se anular, resultando em alta indutância parasita. A ideia central de um barramento laminado em um conversor de alta-potência é empilhar os condutores direto e reverso juntos, fazendo com que eles funcionem muito próximos uns dos outros. As direções das correntes são opostas e as direções do campo magnético também são opostas; os dois campos magnéticos se cancelam, reduzindo a indutância parasita a um-décimo ou até menos das soluções tradicionais.

Do ponto de vista da classificação do produto, os barramentos laminados não são barramentos condutores comuns, mas sim componentes de potência passivos com uma estrutura projetada com precisão. Dependendo do número de camadas, as estruturas comuns incluem três, quatro ou até cinco camadas. Quanto mais camadas, mais compacto será o caminho da corrente e menor será a indutância. Como componente chave de conexão no inversor, seu valor de indutância determina diretamente o limite superior do desempenho dinâmico de todo o inversor.

III. Como selecionar barramentos laminados para diferentes cenários de aplicação?

A lógica central para seleção é: primeiro considere o nível de tensão, depois a capacidade de corrente e, finalmente, o espaço de instalação.

Atualmente, os novos veículos de energia são a área de aplicação-que mais cresce para barramentos lambinados. Os barramentos laminados para carros elétricos precisam transportar centenas de amperes de corrente em um espaço muito pequeno e, ao mesmo tempo, atender aos requisitos de vibração e ciclos de temperatura de nível automotivo. Eles normalmente empregam estruturas compostas multi{4}}camadas para equilibrar baixa indutância e alta confiabilidade.

O setor do transporte ferroviário tem requisitos de segurança extremamente elevados. Os barramentos lambinados de metrô devem atender a padrões rigorosos de proteção à prova de explosão,-à prova de explosão,-à prova de fogo-e à prova de corrosão-, ao mesmo tempo em que controlam a interferência eletromagnética no ambiente fechado de túneis subterrâneos. Portanto, produtos com designs de proteção, como barramentos inversores à prova de explosão de alta tensão-, são frequentemente escolhidos.

Para topologias complexas, como inversores de três{0}}níveis, barramentos lambinados para inversores de três{1}}níveis precisam integrar vários barramentos positivos e negativos em um único barramento, resultando em maior complexidade estrutural e requisitos mais rigorosos para isolamento entre camadas e precisão de alinhamento. Barramentos laminados para instalações complexas de barramentos são projetados para conversores de frequência industriais, sistemas de armazenamento de energia e outras aplicações, e suportam projetos personalizados de múltiplas-filiais.