Madala-hajainduktiivsusega-kõrge-tihedusega virnastatud siinide projekteerimise põhimõtted ja nende kasutamise analüüs suure võimsusega-elektroonilistes süsteemides

 

Uute energiasõidukite, energiasalvestussüsteemide, raudteetranspordi, tööstusautomaatika ja nutika võrgutehnoloogiate edusammude tõttu arenevad suure{0}võimsusega elektroonikaseadmed kõrgemate pingete, kõrgemate sageduste ja suurema võimsustiheduse suunas. Selle protsessi käigus asendavad järgmise -põlvkonna laia-ribaga pooljuhtseadmed-, mille näideteks on ränikarbiid (SiC)-, järk-järgult traditsioonilised räni-põhised IGBT-d, mis toimivad peamise tehnoloogilise võimalusena süsteemi tõhususe suurendamiseks ja seadmete suuruse vähendamiseks.

 

Võrreldes traditsiooniliste ränimaterjalidega pakuvad SiC-pooljuhid laiemat ribalaiust, suuremat kriitilist elektrivälja, väiksemaid juhtivuskadusid ja suurepärast jõudlust kõrgel{0}}temperatuuril. Need eelised võimaldavad SiC MOSFET-idel töötada kõrgematel lülitussagedustel, võimaldades samal ajal magnetkomponentide ja soojusjuhtimisstruktuuride suurust vähendada, suurendades seeläbi üldist võimsustihedust.

 

Kiired{0}}lülitusvõimalused toovad aga kaasa ka uusi tehnilisi väljakutseid. Toiteseadmete lülituskiiruse kasvades tõusevad oluliselt voolu muutumise (di/dt) ja pinge (dv/dt) kiirused. Nendes tingimustes avaldavad vältimatud parasiitparameetrid toiteahelas -eelkõige hajuv induktiivsus- süsteemi jõudlusele olulist mõju.

 

Kiire -lülitamise ajal tekitab hajuv induktiivsus mööduvaid pinge hüppeid vastavalt seosele:

 

V=P × di/dt

 

Kui vool muutub kiiresti, võib isegi väike hulk hajuvat induktiivsust tekitada kümnete voltide või rohkemate pingete ületamist. Need mööduvad pinged mitte ainult ei suurenda toiteseadmete pinget, vaid võivad lükata seadmed ka nende ohutust tööpiirkonnast (SOA) kaugemale, vähendades sellega süsteemi töökindlust.

 

Järelikult on tänapäevastes suure{0}võimsusega muundamise süsteemides toiteahela haju-induktiivsuse minimeerimine muutunud kriitiliseks disainieesmärgiks tõhususe suurendamiseks, elektromagnetiliste häirete (EMI) toimivuse parandamiseks ja pooljuhtseadmete ohutu töö tagamiseks.

 

 

 

Hajuinduktiivsus ei ole parameeter, mille genereerib üks diskreetne komponent; pigem on see kogu vooluahela kollektiivse geomeetria tulemus. See tuleneb peamiselt juhtide endi induktiivsusest, aga ka ühendusklemmidest, kaablitest, trükkplaatide jälgedest, sisemisest toitemooduli pakendist ja siinide ühendusstruktuuridest.

 

Traditsioonilistes toitesüsteemides, mis kasutavad standardseid vasest siinid või juhtmestikke, on positiivse ja negatiivse vooluteede vahel sageli märkimisväärne ruumiline eraldus, mis suurendab vooluahela pindala. Elektromagnetismi põhimõtete kohaselt on seda suurem, mida suurem on silmuse pindala, seda suurem on tekitatava magnetvälja ulatus ja seda suurem on vastav parasiitne induktiivsus.

 

Kõrgsageduslikes-jõuelektroonilistes süsteemides ei liigu vool lihtsalt piki juhi pikkust; selle asemel loob see keeruka elektromagnetvälja jaotuse kogu ümbritsevas ruumis. Seetõttu ei seisne hajuinduktiivsuse vähendamise võti mitte ainult vasest siini paksuse suurendamises, vaid voolutee optimeerimises, -toodes positiivsed ja negatiivsed ahelad üksteisele võimalikult lähedale ning minimeerides piirkonnad, kus magnetvälja energiat salvestatakse.

 

See on peamine põhjus, miks suure{0}tihedusega lamineeritud siine nii laialdaselt kasutatakse.

 

 

Lamineeritud siini on suure jõudlusega{0}}toiteühendusstruktuur, mis on moodustatud mitme juhtiva materjali kihi kombineerimisel isolatsioonimaterjaliga. Tavaliselt sisaldab see juhtivate kihtidena väga juhtivaid materjale-nagu vask või alumiinium-, mis on eraldatud isolatsioonimaterjalidega, mis pakuvad suurepärast dielektrilist tugevust ja mehaanilist stabiilsust; kogu koost liidetakse ühtseks struktuuriks selliste protsesside abil nagu kuumpressimine, liimimine või lamineerimine.

 

Võrreldes traditsiooniliste ühekihiliste vasest{0}}siinidega, on lamineeritud struktuuri suurim eelis selle võime saavutada positiivsete ja negatiivsete vooluteede suur kattuvus.

 

Kui vastassuundades voolavad voolud läbivad kõrvuti asetsevaid juhte, kehtib elektromagnetvälja kustutamise põhimõte: kahe voolu tekitatud magnetväljad on üksteisele vastandlikud, vähendades tõhusalt vooluahela tekitatud kogumagnetvoogu ja alandades seeläbi süsteemi ekvivalentset induktiivsust.

 

Järelikult on lamineeritud siini enamat kui lihtsalt mehaaniline ühenduskomponent; see on kriitiline elektromagnetiline struktuur, mis mõjutab jõuelektroonikasüsteemide dünaamilist jõudlust.

 

Suure-võimsusega inverterites, energiasalvestite muundurites ja tööstuslikes toiteallikaseadmetes on madala-induktiivsusega konstruktsioonist saanud siinistruktuuride optimeerimise põhimõõdik. Näiteks vajavad teatud kiired -lülitusrakendused spetsiaalselt kavandatud lamineeritud siine,-nagu need, mida kasutatakse muutuva sagedusega ajamites (VFD-s)-, et vastata süsteemi kiirele reageerimisele ja madala{6}}kaoga töötamise nõuetele.

 

 

 

Elektrooniliste seadmete integreerituse taseme tõustes on lamineeritud siinid traditsioonilistest tööstuslikest toiteallikatest väljapoole laienenud erinevatesse suure võimsusega{0}}rakendusvaldkondadesse.

 

Näiteks vajavad serverite, telekommunikatsiooniseadmete ja andmekeskuste toitesüsteemid väga töökindlaid toitejaotusstruktuure, et minimeerida edastuskadusid. Seetõttu kasutatakse lamineeritud siine suure -tihedusega arvutusseadmetes-, näiteks superarvuti trükkplaatides või taustplaatides-, et tagada stabiilne toiteallikas-kiiretele andmetöötlusplatvormidele.

 

Telekommunikatsiooni infrastruktuuri valdkonnas nõuavad suure{0}}võimsusega tugijaama seadmed ka kompaktseid ja tõhusaid toiteühenduslahendusi; lamineeritud siinid vastavad tõhusalt ruumipiirangutele ja vajadusele pideva töö järele mobiilside tugijaama toitejaotuses.

 

Lisaks kasutatakse suuremahulistes{0}}toitesüsteemides lamineeritud siine modulaarsetes toitearhitektuurides-, näiteksPower Distribution Unit (PDU) siinistruktuurid-, mis hõlbustavad väikese-kadudega ühendusi mitme toitemooduli vahel ja suurendavad süsteemi üldist töökindlust.