Betere vermogensomzetters door samenvoegen passieve componenten

Een hoge schakelfrequentie zal leiden tot grotere commutatieverliezen als parasitaire inductie niet wordt geminimaliseerd. De bus bar is essentieel voor het terugdringen van strooi-inductie. Koeling is belangrijk om de junction temperatuur van de vermogenscomponent onder controle te houden. Dit artikel laat zien waarom de bus bar een sleutelcomponent is binnen vermogenselektronica applicaties.

Lage inductie vermogencircuits zijn zeker bij hoge-stroom vermogensapplicaties belangrijk voor een veilige en efficiënte werking van de IGBT-modules. Als je daar bij het begin van het ontwerpproces nog geen rekening mee hebt gehouden kan de strooi-inductie van de gehele DC-bus, van de DC-condensatorbank tot aan de commutatieloop van de converter, leiden tot verschillende ongewenste effecten. Een overvloed aan transiënte piekstromen bij hard-switching converters brengt de noodzaak met zich mee om een onnodig groot koellichaam in te designen. Of om de schakelfrequentie van de converter te verlagen wat weer grotere en duurdere componenten, zoals condensatoren, met zich meebrengt.

Strooi-inductie is een sta in de weg voor ontwerpers die ruimte tussen schakelaars nodig hebben om de warmte af te voeren die wordt gegenereerd door de vermogenshalfgeleiders. Met een snubber-circuit kan je het risico van de negatieve effecten van de businductie verminderen, maar de uitdaging blijft toch om een zo laag mogelijke inductie te krijgen met behoud van een zo eenvoudig mogelijk ontwerp en dito lage kosten.

Verbinden

Zodra de IGBT-modules op het koellichaam zijn geassembleerd voor een adequate thermische dissipatie, krijgt de ontwerper te maken met de vraag hoe hij ze het beste kan verbinden, dus met de laagst mogelijke inductieve vermogensverdeling. Hiervoor zijn verschillende mogelijkheden.

De meest gebruikelijke manier om in een standaard schakeling vermogen te verdelen is met behulp van kabelbundels. Die zijn immers goedkoop, gemakkelijk verkrijgbaar, op maat te maken en enigszins flexibel. Echter, bij toepassingen met IGBT-omvormers is de hoge zelfinductie van bedrading niet wenselijk gezien de eerder genoemde effecten van DC-bus inductie.

Vergelijking van DC-zelfinductie van de cirkelvormige dwarsdoorsnede van een draad met die van een bus bar toont aan dat de bus bar minder strooi-inductie met zich meebrengt. Bovendien heeft door het verschil in geometrie – een rechthoekige dwarsdoorsnede van de bus bar versus een ronde bundel van draden – de bus bar maar een tiende tot de helft van de ruimte van een draadbundel nodig. Dat resulteert in lagere kosten en een lager gewicht.

Lage inductie

Bij de DC-bus, waar de stroomsterkte kan oplopen tot 150 A of meer, is het gebruik van meervoudige verbindingslagen de manier om te dealen met de combinatie van grote stroomsterktes, lage strooi-inductie, hoogfrequente toepassingen, beperkte ruimte en hoge betrouwbaarheid. In de traditionele topologie van de vermogensverdeling van de IGBT-modules in de industrie zie je nog steeds dat bus bar geleiders naast elkaar worden geplaatst. Dit levert echter niet de laagst mogelijke wederzijdse inductie op, omdat de aangrenzende randen elkaar beïnvloeden. Beter is het om de bus bars boven op elkaar te plaatsen.

Ontwerpers kunnen de wederzijdse inductie nog verder verlagen door de DC+ geleider op de DC- geleider te plaatsen en beide platen te scheiden met een dun diëlektrisch materiaal. Dit zorgt voor een zo groot mogelijk oppervlak voor het ondermijnen van de flux. Deze opzet, die vaak wordt gebruikt bij prototyping, zorgt door de lagere inductie voor betere elektrische eigenschappen van de componenten in de omzetter. De geisoleerde doorvoering kan op de bodem van het contactoppervlak van de bovenste plaat worden bevestigd om het vermogen over te brengen naar de IGBT-module die onder de DC-bus is gelokaliseerd. Deze doorvoering ligt hierbij niet volledig plat tegen de geleidingsplaat omdat dit weer kan leiden tot een verhoogde contactweerstand om de randen van de doorvoering.

Lamineren

De klant specifiek ontworpen gelamineerde bus bar van Mersen biedt de laagst mogelijke effectieve inductie voor een systeem. Dit is mogelijk door het lamineren van een dunne laag diëlektrisch materiaal tussen de DC+ en de DC- plaat. De diëlektrische platen worden onder geoptimaliseerde temperatuur- en drukomstandigheden met elkaar verbonden, waarbij de afstand tussen de lagen overal hetzelfde is. Deze constructie zorgt voor een zo klein mogelijke wederzijdse inductie. Hoe dichter de platen met elkaar zijn verbonden, des te uniformer de afstand is verdeeld over de lengte van de bus en dientengevolge des te kleiner de wederzijdse inductie.

Om het aantal componenten nog verder te verminderen, kunnen ook de AC-geleiders in het gelamineerde systeem worden geïntegreerd. Dit heeft geen verder effect op de wederzijdse inductie, maar verbetert wel het algehele ontwerp: de stijve structuur die is ontstaan door het lamineren kan enkele honderden newtons aan drukkracht weerstaan. Bovendien kunnen er zonder bezwaar duizenden volts over de geleidingsplaten worden gezet.

Voor het maken van de elektrische aansluiting met de vermogenscomponenten kan worden gekozen uit verschillende metaalvormen, zoals vormen met reliëf, gesoldeerde doorvoering of voorgevormde aansluitingen. Door deze contactvlakken consistent in de structuur op te nemen bereik je een lage contactweerstand tussen het busoppervlak en de geleiderplaat.

Materiaalkeuze

Als geleidend materiaal wordt voor het gros van de toepassingen met IGBT gelamineerde bus bars een koperlegering aanbevolen vanwege de lage weerstandskarakteristieken en lage kosten. Als gewicht een doorslaggevende factor is kan ook aluminium worden gespecificeerd. Andere materialen die juist vanwege hun mechanische eigenschappen kunnen worden gespecificeerd zijn messing, berylliumkoper en fosforbrons.

De gangbare waarde voor de stroomgeleidingscapaciteit van koper is 5 A / mm². Om de vereiste doorsnede (in mm²) voor de stationaire stroomsterkte te bepalen moet je de stationaire stroomsterkte van de DC-bus delen door 5 A / mm². Bij de maximale stroomgeleidingscapaciteit kan het koper ongeveer 20 °C warmer worden.

De keuze van het diëlektrische materiaal is bepalend voor de wederzijdse inductie in de gelamineerde structuur. Een misvatting bij veel ontwerpers die een gelamineerde structuur specificeren is dat een zeer dik diëlektricum nodig is om te kunnen voldoen aan de eisen die het voltage met zich meebrengt. Ze gaan daarbij voorbij aan de sandwich-structuur van het laminaat. Het is dus zaak om te zorgen voor voldoende isolatie overlap buiten de randen van de geleider (de zogenaamde kruip afstand) om vonkontlading tussen de geleiders te voorkomen. Vanuit het gewenste voltage kan de geschikte kruip afstand voor de gelamineerde bus bar worden bepaald.

Indien de geleiderplaten met elkaar worden verbonden door lamineren moet de ontwerper wat betreft de gelamineerde bus bar ook nog rekening houden met:

• open randen;
• een gegoten randafdichting;
• epoxygevulde randen;
• een verglaasde overgang.

Systeemontwerp

Zodra afmeting van de geleider  en de isolatie zijn gespecificeerd moet de ontwerper bepalen hoe het vermogen moet worden verdeeld binnen en buiten de IGBT-module, en hoe het fysieke ontwerp eruit moet komen te zien. Zodra het elektronisch ontwerp klaar is, en dus ook de warmte bekend is die elke IGBT genereert, kan je met lucht of watergekoelde koellichamen en bus bars als eerste passieve componenten aan de slag. De koellichamen fungeren naast het koelen ook als basisframe voor de hoofdschakeling van de omzetter. Bovendien is de koelcapaciteit van koellichaam in combinatie met de thermische dissipatie van elke vermogenshalfgeleider bepalend voor de layout van de omzetter, en dus ook het ontwerp van de bus bar.

De ontwerper zal ook moeten bepalen of er voor het ontwerp van de gelamineerde bus bar een modulaire of systeembenadering nodig is. Een modulaire bus bar zal afzonderlijke laminaire bus bars bevatten voor elk deel van de omvormer.

Modulair

Het aantal componenten, assemblagetijd en systeemgrootte zijn in verband met design for manufacturing essentiële parameters waar de ontwerper rekening mee dient te houden. Een gelamineerde bus bar draagt bij aan het samenbrengen van alle componenten van een vermogenssysteem in een enkele structuur wat leidt tot lagere kosten en meer efficiency. De fysieke vorm van de bus vereist minder ruimte dan traditionele vermogenscomponenten omdat een brede, platte geleider dezelfde hoeveelheid stroom kan transporteren als een omvangrijke bedradingsbundel.

Een ander aspect dat wordt versterkt door deze modulaire benadering van vermogensverdeling is betrouwbaarheid. Het betreft immers een kleinere component waar bovendien alle aansluitingen stevig op hun plaats binnen de structuur zitten en gelabeld zijn. Dit ontwerp verkleint de kans op montagefouten en daaropvolgende fouten, simpelweg omdat er minder componenten en draden zijn waar je bij montage rekening mee moet houden.

Geïntegreerd

Grootte en gewicht kunnen het verschil maken. Een kleiner formaat leidt tot lagere parasitaire inductie en dus lagere dissipatie waardoor de omzetter bij een hogere frequentie kan werken en zo de dimensie van passieve componenten als condensator en smoorspoel naar beneden brengt.

De Mersen-bundel -koeling, bus bar en zekering- helpt klanten om dit doel te bereiken. De hoge thermische prestaties van de heat sinks in combinatie met de ontwerpmogelijkheden voor de bus bar  helpen mee aan het verkleinen van de koelplaat, de bus bar en uiteindelijk ook de omzetter. De toegevoegde waarde van de passieve componenten van Mersen komt het meest tot zijn recht als de ontwerper ze al in de beginfase in het project integreert.

www.mersen.com

contact.schiedam@mersen.com

(010) 298 30 30