دليل تحسين الحث الضال لقضبان التوصيل المصفحة: كيفية تقليل ارتفاع الجهد وتبديل الخسائر في محولات SiC

أثناء انتقال أنظمة الطاقة الإلكترونية من أجهزة IGBTs السيليكونية التقليدية إلى أجهزة كربيد السيليكون (SiC)، ظهرت مشكلة رئيسية تدريجيًا: تتمتع أجهزة SiC بسرعات تحويل سريعة للغاية، لكن الحث الشارد في النظام يمكن أن يعيق الأداء بشدة. إن ارتفاعات الجهد والتذبذبات العالية- الناتجة عن الحث الشارد لا تهدد سلامة الجهاز فحسب، بل تقلل أيضًا بشكل كبير من مزايا أداء SiC. تعد قضبان التوصيل المصفحة ذات الكثافة العالية - الحل الهيكلي الأساسي لمعالجة عنق الزجاجة هذا. تشرح هذه المقالة سبب قدرة قضبان التوصيل المصفحة على تقليل الحث وكيفية اختيارها في التطبيقات العملية.

1. على الرغم من أن أجهزة SiC أسرع، إلا أن الحث الشارد يصبح عائقًا رئيسيًا.

تعمل وحدات SiC MOSFETs على التبديل بسرعات أكبر بعشر مرات من أجهزة السيليكون، مما يؤدي إلى زيادة كثافة الطاقة والكفاءة. ومع ذلك، فإن الوجه الآخر للعملة هو أن التبديل الأسرع يؤدي إلى معدل أعلى لتغير التيار (di/dt). وفقًا للصيغة V=L × di/dt، حتى الحث الشارد لعدد قليل فقط من النانوهنيات يمكنه توليد ارتفاعات في الجهد تصل إلى مئات الفولتات عبر الجهاز. يتم فرض هذه المسامير على جهد الناقل، وإذا تجاوزت حد جهد تحمل الجهاز، فسوف تتعطل وتحترق.

الأمر الأكثر إشكالية هو أن الحث الشارد يمكن أن يتردد أيضًا صدى مع سعة الخرج لأجهزة SiC، مما يؤدي إلى توليد تذبذبات عالية التردد (رنين). يزيد هذا التذبذب من خسائر التبديل ويؤدي إلى تسخين الجهاز، ويولد أيضًا تداخلًا كهرومغناطيسيًا شديدًا، مما يمنع النظام من اجتياز شهادة EMC. من أجل السلامة، غالبًا ما يتعين على المهندسين تقديم تنازلات: إما اختيار وحدات ذات جهد تحمل أعلى (زيادة التكلفة والخسائر) أو زيادة مقاومة البوابة لإبطاء سرعة التبديل (إهدار ميزة التردد العالي- بشكل مباشر لـ SiC). ويهدف ظهور قضبان التوصيل المصفحة ذات الثلاث طبقات إلى القضاء على هذه المشكلة على المستوى الهيكلي.

ثانيا. لماذا يعمل شريط التوصيل المصفح في محول الطاقة-العالي على تقليل الحث؟

تحتوي قضبان التوصيل التقليدية على موصلين منفصلين، مع تيارات أمامية وعكسية متباعدة. لا يمكن للمجالات المغناطيسية التي تولدها أن تلغي بعضها البعض، مما يؤدي إلى محاثة شاردة عالية. الفكرة الأساسية لقضيب التوصيل المصفح في محول الطاقة-العالي هو تكديس الموصلات الأمامية والخلفية معًا، مما يجعلها قريبة جدًا من بعضها البعض. اتجاها التيار متعاكسان، واتجاهات المجال المغناطيسي متعاكستان أيضًا؛ يلغي المجالان المغناطيسيان بعضهما البعض، مما يقلل من الحث الشارد إلى واحد-عُشر الحلول التقليدية أو حتى أقل.

من منظور تصنيف المنتج، فإن قضبان التوصيل المصفحة ليست قضبان توصيل عادية، ولكنها مكونات طاقة سلبية ذات هيكل مصمم بدقة. اعتمادا على عدد الطبقات، تشمل الهياكل المشتركة ثلاث أو أربع أو حتى خمس طبقات. كلما زاد عدد الطبقات، كلما كان المسار الحالي أكثر إحكاما وقل الحث. باعتبارها مكون اتصال رئيسي في العاكس، تحدد قيمة الحث بشكل مباشر الحد الأعلى للأداء الديناميكي للعاكس بأكمله.

ثالثا. كيفية اختيار قضبان الناقل المصفحة لسيناريوهات التطبيقات المختلفة؟

المنطق الأساسي للاختيار هو: أولا النظر في مستوى الجهد، ثم القدرة الحالية، وأخيرا مساحة التثبيت.

تعد مركبات الطاقة الجديدة حاليًا-مجال التطبيقات الأسرع نموًا لقضبان الحافلات المصفحة. تحتاج قضبان النقل المصفحة للسيارات الكهربائية إلى حمل مئات الأمبيرات من التيار في مساحة صغيرة جدًا مع تلبية متطلبات درجة الاهتزاز ودورة درجة الحرارة في السيارات. وهي تستخدم عادةً هياكل مركبة متعددة-لموازنة الحث المنخفض والموثوقية العالية.

يتمتع قطاع النقل بالسكك الحديدية بمتطلبات سلامة عالية للغاية. يجب أن تفي قضبان الحافلات المصفحة بمترو الأنفاق بالمعايير الصارمة للحماية من الانفجارات-والحرائق-والتآكل-، مع التحكم في التداخل الكهرومغناطيسي في البيئة المغلقة للأنفاق تحت الأرض. لذلك، غالبًا ما يتم اختيار المنتجات ذات التصميمات الوقائية، مثل قضبان التوصيل العاكسة ذات الجهد العالي-المضادة للانفجار.

بالنسبة للهيكليات المعقدة مثل ثلاثة-عاكسات مستوى، تحتاج قضبان الناقل المصفحة لثلاثة-عاكسات مستوى إلى دمج عدة نواقل موجبة وسالبة داخل شريط توصيل واحد، مما يؤدي إلى زيادة التعقيد الهيكلي ومتطلبات أكثر صرامة لعزل الطبقات البينية ودقة المحاذاة. تم تصميم قضبان التوصيل المصفحة لتركيبات قضبان التوصيل المعقدة لمحولات التردد الصناعية، وأنظمة تخزين الطاقة، والتطبيقات الأخرى، كما أنها تدعم تصميمات الفروع المتعددة - المخصصة.