Nguyên tắc thiết kế của các thanh cái xếp chồng mật độ cao-đi lạc{1}}có điện cảm cao-và phân tích ứng dụng của chúng trong các hệ thống điện tử công suất cao-

 

Được thúc đẩy bởi những tiến bộ về phương tiện sử dụng năng lượng mới, hệ thống lưu trữ năng lượng, vận tải đường sắt, tự động hóa công nghiệp và công nghệ lưới điện thông minh, thiết bị điện tử công suất cao-đang phát triển theo hướng điện áp cao hơn, tần số cao hơn và mật độ năng lượng cao hơn. Trong quá trình này, các thiết bị bán dẫn có khoảng cách băng thông-thế hệ-tiếp theo-được minh họa bằng cacbua silic (SiC)-đang dần thay thế các IGBT dựa trên silicon{6}}truyền thống, đóng vai trò như một lộ trình công nghệ quan trọng để nâng cao hiệu suất hệ thống và giảm kích thước thiết bị.

 

So với vật liệu silicon truyền thống, chất bán dẫn SiC có dải tần rộng hơn, điện trường tới hạn cao hơn, tổn hao dẫn điện thấp hơn và hiệu suất nhiệt độ-cao vượt trội. Những ưu điểm này cho phép MOSFET SiC hoạt động ở tần số chuyển mạch cao hơn đồng thời cho phép giảm kích thước các thành phần từ tính và cấu trúc quản lý nhiệt, từ đó tăng mật độ năng lượng tổng thể.

 

Tuy nhiên,-khả năng chuyển đổi tốc độ cao cũng đặt ra những thách thức kỹ thuật mới. Khi tốc độ chuyển mạch của các thiết bị điện tăng lên, tốc độ thay đổi dòng điện (di/dt) và điện áp (dv/dt) cũng tăng đáng kể. Trong những điều kiện này, các tham số ký sinh không thể tránh khỏi trong vòng nguồn-đáng chú ý nhất là độ tự cảm tản lạc-có tác động đáng kể đến hiệu suất hệ thống.

 

Trong quá trình chuyển đổi tốc độ-cao, điện cảm tản sẽ tạo ra các xung điện áp nhất thời theo mối quan hệ:

 

V=L × di/dt

 

Khi dòng điện thay đổi nhanh chóng, ngay cả một lượng nhỏ điện cảm đi lạc cũng có thể tạo ra điện áp vượt quá hàng chục volt hoặc hơn. Những điện áp nhất thời này không chỉ làm tăng áp lực lên các thiết bị điện mà còn có thể đẩy các thiết bị ra ngoài Vùng vận hành an toàn (SOA), do đó ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống.

 

Do đó, trong các hệ thống chuyển đổi công suất cao-hiện đại, việc giảm thiểu độ tự cảm tạp tán của vòng công suất đã trở thành mục tiêu thiết kế quan trọng nhằm nâng cao hiệu suất, cải thiện hiệu suất nhiễu điện từ (EMI) và đảm bảo hoạt động an toàn của các thiết bị bán dẫn.

 

 

 

Độ tự cảm tạp tán không phải là một tham số được tạo ra bởi một thành phần riêng biệt; đúng hơn, nó là kết quả của hình học tập thể của toàn bộ vòng lặp hiện tại. Nó chủ yếu phát sinh từ độ tự cảm của chính dây dẫn, cũng như từ các đầu nối, dây cáp, vết PCB, bao bì mô-đun nguồn bên trong và cấu trúc kết nối thanh cái.

 

Trong các hệ thống điện truyền thống sử dụng thanh cái bằng đồng tiêu chuẩn hoặc bộ dây dẫn điện, thường có sự phân tách không gian đáng kể giữa đường dẫn dòng điện dương và âm, điều này làm tăng diện tích của vòng dòng điện. Theo nguyên lý điện từ, diện tích vòng lặp càng lớn thì phạm vi của từ trường được tạo ra càng rộng và độ tự cảm ký sinh tương ứng càng cao.

 

Trong các hệ thống điện tử công suất-tần số cao, dòng điện không chỉ chạy dọc theo chiều dài của dây dẫn; thay vào đó, nó tạo ra sự phân bố trường điện từ phức tạp khắp không gian xung quanh. Do đó, chìa khóa để giảm độ tự cảm tạp tán không chỉ nằm ở việc tăng độ dày của thanh cái đồng mà còn ở việc tối ưu hóa đường dẫn dòng điện-đưa các vòng mạch dương và âm càng gần nhau càng tốt và giảm thiểu các vùng lưu trữ năng lượng từ trường.

 

Đây là lý do chính khiến-thanh cái nhiều lớp mật độ cao được sử dụng rộng rãi đến vậy.

 

 

Thanh cái nhiều lớp là cấu trúc kết nối nguồn-hiệu suất cao được hình thành bằng cách kết hợp nhiều lớp vật liệu dẫn điện với vật liệu cách điện. Thông thường, nó có các vật liệu dẫn điện cao-chẳng hạn như đồng hoặc nhôm-làm lớp dẫn điện, được ngăn cách bằng vật liệu cách điện mang lại độ bền điện môi và độ ổn định cơ học tuyệt vời; toàn bộ tổ hợp được liên kết thành một cấu trúc thống nhất thông qua các quá trình như ép nóng, liên kết dính hoặc cán màng.

 

So với các thanh cái đồng một lớp truyền thống, ưu điểm lớn nhất của cấu trúc nhiều lớp là khả năng đạt được mức độ chồng chéo cao giữa các đường dẫn dòng điện dương và âm.

 

Khi dòng điện chạy ngược chiều nhau đi qua các dây dẫn liền kề, nguyên lý triệt tiêu trường điện từ được áp dụng: từ trường do hai dòng điện tạo ra đối lập nhau, làm giảm hiệu quả tổng từ thông do vòng dây tạo ra và do đó làm giảm độ tự cảm tương đương của hệ thống.

 

Do đó, thanh cái nhiều lớp không chỉ là một bộ phận kết nối cơ học; nó là một cấu trúc điện từ quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất động của hệ thống điện tử công suất.

 

Trong các bộ biến tần-công suất cao, bộ chuyển đổi lưu trữ năng lượng và thiết bị cung cấp điện công nghiệp, thiết kế-độ tự cảm thấp đã trở thành thước đo quan trọng để tối ưu hóa cấu trúc thanh cái. Ví dụ: một số ứng dụng chuyển đổi tốc độ cao-yêu cầu các thanh cái nhiều lớp được thiết kế đặc biệt-chẳng hạn như các thanh cái được sử dụng trong các bộ truyền động tần số thay đổi (VFD)-để đáp ứng các yêu cầu của hệ thống về khả năng phản hồi nhanh và hoạt động{6}}tổn thất thấp.

 

 

 

Khi mức độ tích hợp của thiết bị điện tử tăng lên, thanh cái nhiều lớp đã mở rộng ra ngoài lĩnh vực cung cấp điện công nghiệp truyền thống sang các lĩnh vực ứng dụng năng lượng cao-khác nhau.

 

Ví dụ, hệ thống điện trong máy chủ, thiết bị viễn thông và trung tâm dữ liệu yêu cầu cấu trúc phân phối điện có độ tin cậy cao để giảm thiểu tổn thất truyền tải. Theo đó, các thanh cái nhiều lớp được sử dụng trong-thiết bị điện toán mật độ cao-chẳng hạn như trong bảng mạch siêu máy tính hoặc bảng nối đa năng-để đảm bảo cung cấp điện ổn định cho-nền tảng điện toán tốc độ cao.

 

Trong lĩnh vực cơ sở hạ tầng viễn thông, thiết bị trạm gốc có công suất-cao cũng đòi hỏi các giải pháp kết nối nguồn nhỏ gọn, hiệu quả; thanh cái nhiều lớp đáp ứng một cách hiệu quả các hạn chế về không gian và nhu cầu vận hành liên tục trong phân phối điện của trạm gốc di động.

 

Hơn nữa, trong-hệ thống điện quy mô lớn, thanh cái nhiều lớp được sử dụng trong kiến ​​trúc nguồn mô-đun-chẳng hạn như trongThanh cái của Bộ phân phối điện (PDU)cấu trúc-để hỗ trợ kết nối tổn thất thấp-giữa nhiều mô-đun nguồn và nâng cao độ tin cậy của hệ thống tổng thể.