Principios de diseño de barras colectoras apiladas de baja-inductancia-dispersa-alta densidad y análisis de su aplicación en sistemas electrónicos de potencia de alta-potencia

 

Impulsados ​​por los avances en vehículos de nueva energía, sistemas de almacenamiento de energía, transporte ferroviario, automatización industrial y tecnologías de redes inteligentes, los equipos electrónicos de alta-potencia están evolucionando hacia voltajes más altos, frecuencias más altas y densidades de energía más altas. En este proceso, la próxima-generación de dispositivos semiconductores de banda prohibida-amplia-ejemplificados por el carburo de silicio (SiC)-está reemplazando gradualmente a los IGBT tradicionales basados ​​en silicio-, lo que sirve como una vía tecnológica clave para mejorar la eficiencia del sistema y reducir el tamaño del equipo.

 

En comparación con los materiales de silicio tradicionales, los semiconductores de SiC ofrecen una banda prohibida más amplia, un campo eléctrico crítico más alto, menores pérdidas de conducción y un rendimiento superior a altas-temperaturas. Estas ventajas permiten que los MOSFET de SiC funcionen a frecuencias de conmutación más altas y, al mismo tiempo, permiten reducir el tamaño de los componentes magnéticos y las estructuras de gestión térmica, aumentando así la densidad de potencia general.

 

Sin embargo, las capacidades de conmutación de alta-velocidad también presentan nuevos desafíos de ingeniería. A medida que aumenta la velocidad de conmutación de los dispositivos de potencia, las tasas de cambio de corriente (di/dt) y voltaje (dv/dt) aumentan significativamente. En estas condiciones, los parámetros parásitos inevitables dentro del bucle de alimentación-en especial la inductancia parásita-ejercen un impacto sustancial en el rendimiento del sistema.

 

Durante la conmutación de alta-velocidad, la inductancia parásita genera picos de voltaje transitorios de acuerdo con la relación:

 

V=L × di/dt

 

Cuando la corriente cambia rápidamente, incluso una cantidad mínima de inductancia parásita puede producir sobrepasos de voltaje de decenas de voltios o más. Estos voltajes transitorios no solo aumentan la tensión de voltaje en los dispositivos de energía, sino que también pueden empujar a los dispositivos más allá de su Área de Operación Segura (SOA), comprometiendo así la confiabilidad del sistema.

 

En consecuencia, en los sistemas modernos de conversión de alta-potencia, minimizar la inductancia parásita del bucle de alimentación se ha convertido en un objetivo de diseño fundamental para mejorar la eficiencia, mejorar el rendimiento de la interferencia electromagnética (EMI) y garantizar el funcionamiento seguro de los dispositivos semiconductores.

 

 

 

La inductancia parásita no es un parámetro generado por un componente único y discreto; más bien, es el resultado de la geometría colectiva de todo el bucle actual. Surge principalmente de la inductancia de los propios conductores, así como de los terminales de conexión, cables, trazas de PCB, embalajes internos del módulo de potencia y estructuras de interconexión de barras colectoras.

 

En los sistemas de energía tradicionales que utilizan barras colectoras de cobre estándar o mazos de cables, a menudo existe una separación espacial significativa entre las rutas de corriente positiva y negativa, lo que aumenta el área del bucle de corriente. Según los principios del electromagnetismo, cuanto mayor es el área del bucle, más amplio es el rango del campo magnético generado y mayor es la inductancia parásita correspondiente.

 

En los sistemas electrónicos de potencia de alta-frecuencia, la corriente no fluye simplemente a lo largo de un conductor; en cambio, crea una distribución compleja de campos electromagnéticos en todo el espacio circundante. Por lo tanto, la clave para reducir la inductancia parásita no radica simplemente en aumentar el espesor de la barra colectora de cobre, sino en optimizar la trayectoria de la corriente-acercar los circuitos positivo y negativo lo más posible y minimizar las regiones donde se almacena la energía del campo magnético.

 

Ésta es la razón principal por la que las barras colectoras laminadas de alta-densidad se utilizan con tanta frecuencia.

 

 

Una barra colectora laminada es una estructura de interconexión eléctrica de alto-rendimiento formada mediante la combinación de múltiples capas de material conductor con medios aislantes. Por lo general, presenta materiales altamente conductores-como cobre o aluminio-como capas conductoras, separadas por materiales aislantes que ofrecen excelente resistencia dieléctrica y estabilidad mecánica; todo el conjunto se une en una estructura unificada mediante procesos como prensado en caliente, unión adhesiva o laminación.

 

En comparación con las tradicionales barras colectoras de cobre de una sola-capa, la mayor ventaja de la estructura laminada es su capacidad para lograr un alto grado de superposición entre las rutas de corriente positiva y negativa.

 

Cuando las corrientes que fluyen en direcciones opuestas pasan a través de conductores adyacentes, se aplica el principio de cancelación del campo electromagnético: los campos magnéticos generados por las dos corrientes se oponen entre sí, reduciendo efectivamente el flujo magnético total producido por el bucle de corriente y, por lo tanto, disminuyendo la inductancia equivalente del sistema.

 

En consecuencia, una barra colectora laminada es más que un simple componente de conexión mecánica; es una estructura electromagnética crítica que influye en el rendimiento dinámico de los sistemas electrónicos de potencia.

 

En inversores de alta-potencia, convertidores de almacenamiento de energía y equipos de suministro de energía industrial, el diseño de baja-inductancia se ha convertido en una métrica clave para optimizar las estructuras de barras colectoras. Por ejemplo, ciertas aplicaciones de conmutación de alta-velocidad requieren barras colectoras laminadas especialmente diseñadas-como las que se utilizan en los variadores de frecuencia (VFD)-para cumplir con los requisitos del sistema para una respuesta rápida y una operación de baja-pérdida.

 

 

 

A medida que aumenta el nivel de integración de los equipos electrónicos, las barras colectoras laminadas se han expandido más allá de los sectores tradicionales de suministro de energía industrial hacia diversas áreas de aplicaciones de alta-potencia.

 

Por ejemplo, los sistemas de energía en servidores, equipos de telecomunicaciones y centros de datos requieren estructuras de distribución de energía altamente confiables para minimizar las pérdidas de transmisión. En consecuencia, se emplean barras colectoras laminadas dentro de -equipos informáticos de alta densidad-como placas de circuitos o placas posteriores de supercomputadoras-para garantizar una entrega de energía estable para plataformas informáticas de alta-velocidad.

 

En el ámbito de la infraestructura de telecomunicaciones, los equipos de estaciones base de alta-potencia también exigen soluciones de conexión de energía compactas y eficientes; Las barras colectoras laminadas cumplen eficazmente con las limitaciones de espacio y la necesidad de funcionamiento continuo en la distribución de energía de estaciones base celulares.

 

Además, en sistemas de energía a gran-escala, las barras colectoras laminadas se utilizan en arquitecturas de energía modulares-como enBarra colectora de la unidad de distribución de energía (PDU)estructuras-para facilitar conexiones de baja-pérdida entre múltiples módulos de energía y mejorar la confiabilidad general del sistema.