Hướng dẫn tối ưu hóa độ tự cảm lạc của thanh cái nhiều lớp: Cách giảm xung điện áp và tổn thất chuyển mạch trong bộ biến tần SiC

Trong quá trình chuyển đổi hệ thống điện tử công suất từ ​​IGBT silicon truyền thống sang thiết bị silicon cacbua (SiC), một vấn đề quan trọng đã dần xuất hiện: Các thiết bị SiC có tốc độ chuyển mạch cực nhanh, nhưng độ tự cảm lạc trong hệ thống có thể cản trở nghiêm trọng hiệu suất. Điện áp tăng vọt và dao động tần số-cao do điện cảm tạp tán gây ra không chỉ đe dọa đến sự an toàn của thiết bị mà còn làm giảm đáng kể lợi thế về hiệu suất của SiC. Thanh cái nhiều lớp có mật độ-cao là giải pháp kết cấu cốt lõi để giải quyết nút cổ chai này. Bài viết này sẽ giải thích tại sao Thanh cái nhiều lớp có thể giảm độ tự cảm và cách chọn chúng trong các ứng dụng thực tế.

I. Mặc dù các thiết bị SiC nhanh hơn nhưng độ tự cảm lạc trở thành một trở ngại lớn.

MOSFET SiC chuyển đổi với tốc độ nhanh hơn mười lần so với các thiết bị silicon, dẫn đến mật độ năng lượng và hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên, mặt trái của vấn đề là việc chuyển đổi nhanh hơn dẫn đến tốc độ thay đổi dòng điện (di/dt) cao hơn. Theo công thức V=L × di/dt, ngay cả một độ tự cảm tạp tán chỉ vài nanohen cũng có thể tạo ra các xung điện áp hàng trăm volt trên toàn bộ thiết bị. Các xung này chồng lên điện áp bus và nếu vượt quá giới hạn điện áp chịu đựng của thiết bị, chúng sẽ bị hỏng và cháy.

Vấn đề hơn là độ tự cảm lạc cũng có thể cộng hưởng với điện dung đầu ra của thiết bị SiC, tạo ra các dao động tần số cao-(chuông). Dao động này làm tăng tổn thất chuyển mạch và khiến thiết bị nóng lên, đồng thời tạo ra nhiễu điện từ nghiêm trọng, khiến hệ thống không đạt được chứng nhận EMC. Để đảm bảo an toàn, các kỹ sư thường phải thỏa hiệp: chọn mô-đun có điện áp chịu được cao hơn (tăng chi phí và tổn thất) hoặc tăng điện trở cổng để làm chậm tốc độ chuyển mạch (trực tiếp lãng phí lợi thế tần số cao của SiC). Sự xuất hiện của thanh cái nhiều lớp-là nhằm mục đích giải quyết vấn đề này ở cấp độ kết cấu.

II. Tại sao thanh cái nhiều lớp trong bộ chuyển đổi công suất-cao lại làm giảm độ tự cảm?

Thanh cái truyền thống có hai dây dẫn riêng biệt, với dòng điện thuận và ngược cách xa nhau. Từ trường mà chúng tạo ra không thể triệt tiêu lẫn nhau, dẫn đến độ tự cảm lạc cao. Ý tưởng cốt lõi của thanh cái nhiều lớp trong bộ chuyển đổi công suất-cao là xếp chồng các dây dẫn thuận và ngược lại với nhau, khiến chúng chạy rất gần nhau. Các hướng dòng điện ngược nhau và hướng từ trường cũng ngược nhau; hai từ trường triệt tiêu lẫn nhau, giảm độ tự cảm tản lạc xuống còn một-một phần mười hoặc thậm chí ít hơn so với các giải pháp truyền thống.

Từ góc độ phân loại sản phẩm, các thanh cái nhiều lớp không phải là thanh cái dẫn điện thông thường mà là các thành phần nguồn thụ động có cấu trúc được thiết kế chính xác. Tùy thuộc vào số lượng lớp, cấu trúc thông thường bao gồm ba, bốn hoặc thậm chí năm lớp. Càng nhiều lớp, đường dẫn dòng điện càng nhỏ gọn và độ tự cảm càng thấp. Là thành phần kết nối chính trong biến tần, giá trị điện cảm của nó xác định trực tiếp giới hạn trên của hiệu suất động của toàn bộ biến tần.

III. Làm cách nào để chọn thanh cái nhiều lớp cho các tình huống ứng dụng khác nhau?

Logic cốt lõi của việc lựa chọn là: trước tiên hãy xem xét mức điện áp, sau đó là công suất hiện tại và cuối cùng là không gian lắp đặt.

Phương tiện sử dụng năng lượng mới hiện là lĩnh vực ứng dụng-phát triển nhanh nhất cho các thanh xe buýt nhiều lớp. Các thanh cái nhiều lớp dành cho ô tô điện cần mang dòng điện hàng trăm ampe trong một không gian rất nhỏ đồng thời đáp ứng-các yêu cầu về chu trình nhiệt độ và độ rung của ô tô. Họ thường sử dụng các cấu trúc hỗn hợp nhiều{4}}lớp để cân bằng độ tự cảm thấp và độ tin cậy cao.

Ngành vận tải đường sắt có yêu cầu an toàn rất cao. Các thanh xe buýt được bọc nhiều lớp trong tàu điện ngầm phải đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về khả năng bảo vệ chống cháy nổ-, chống cháy-và ăn mòn-, đồng thời kiểm soát nhiễu điện từ trong môi trường kín của các đường hầm dưới lòng đất. Do đó, các sản phẩm có thiết kế bảo vệ, chẳng hạn như Thanh cái biến tần chống cháy nổ{5}}điện áp cao thường được chọn.

Đối với các cấu trúc liên kết phức tạp như bộ biến tần ba cấp, các thanh cái nhiều lớp cho bộ biến tần ba cấp cần phải tích hợp nhiều bus dương và âm trong một thanh cái duy nhất, dẫn đến độ phức tạp về cấu trúc cao hơn và các yêu cầu nghiêm ngặt hơn về cách điện giữa các lớp và độ chính xác căn chỉnh. Thanh cái nhiều lớp dành cho lắp đặt thanh cái phức tạp được thiết kế cho bộ biến tần công nghiệp, hệ thống lưu trữ năng lượng và các ứng dụng khác, đồng thời hỗ trợ các thiết kế nhiều nhánh tùy chỉnh.