Laminated Busbar Design Guide

Trong một bản dựng điện tử công suất điển hình, cùng một thanh cái ép lớp điện tử công suất mang link DC giữa các tụ đệm và các mô-đun lực IGBT hoặc SiC — đường tiến và hồi trên các mặt phẳng lân cận, với các đầu cực xếp thẳng hàng đúng nơi các mô-đun và tụ nằm. Về điện nó là một mạch đa lớp; về cơ khí nó là một phần cứng đơn lắp trong một chuyển động.

Bởi hình học vật dẫn được dụng cụ chứ không định tuyến bằng tay, cùng cụm này xuất xưởng nhất quán từng chiếc: cùng diện tích vòng dây, cùng vị trí đầu cực, cùng biên độ cách điện. Tính lặp lại đó là thứ làm phần khả thi ở sản lượng sản xuất — hình học phía sau nó được chi tiết trong bài thiết kế thanh cái tự cảm thấp của chúng tôi.

Chúng tôi chế tạo từ đồng C11000 như tiêu chuẩn; các vật dẫn nhôm có sẵn khi được đòi khi trọng lượng hoặc chi phí vật liệu thô thúc đẩy lựa chọn. Các đánh đổi được chi tiết trong vật dẫn thanh cái đồng và nhôm. Mọi lô qua QC nội bộ dưới quy trình thử thanh cái ép lớp của chúng tôi — hipot, điện trở cách điện, kích thước, nhìn thấy và thông mạch — với các hồ sơ thử lô và tài liệu kiểu CoC được cung cấp khi được đòi.

Số lớp thường chạy từ một đến sáu hoặc hơn. Các vật dẫn lân cận được lệch trong chồng lớp để mọi đầu cực ở lại với tới được, và điện môi phủ đồng với một biên độ khớp cấp điện áp. Sau ép lớp, các mép cắt được niêm phong trước khi các đầu cực được hàn hoặc buộc, để phần hoàn thiện có thể được cầm vọc như bất kỳ linh kiện nào khác.

Ba chỉ số quyết định lựa chọn vượt chi phí và chiều dày:

• Chỉ số Nhiệt Tương đối (RTI), định nghĩa theo phương pháp UL 746: nhiệt độ sử dụng liên tục tại đó một thuộc tính khóa giữ một nửa giá trị ban đầu sau 20.000 giờ. PET tiêu chuẩn nằm gần 105 °C; các hệ màng nhiệt cao chạy dến 130 °C và trên. Đời cách điện theo mẫu Arrhenius — khoảng mỗi mức tăng 10 °C giảm một nửa đời còn lại.
• Chỉ số Tracking So sánh (CTI): một thước đo rủi ro tracking bề mặt dưới ô nhiễm. Nó đặt khoảng cách bề mặt leo giữa các đầu cực tự do và có ý nghĩa nhất trên 1000 V. Một màng CTI tốt như PET có thể gần như giảm một nửa bề mặt leo cần thiết so với một lựa chọn CTI thấp hơn.
• Độ dễ cháy: màng cộng keo dán cộng vật dẫn được công nhận như một composite, thường là cấp UL 94 V-0 trong các cấu trúc tiêu chuẩn.

Trên khoảng 1000 V, chỉ màng linh hoạt thường không đủ. Một tấm liên-lớp cứng — thường là polyester gia cầm thủy tinh — được thêm giữa các tổ hợp phụ vật dẫn, với quy tắc ngón tay cái khoảng 1 mm cách điện cứng mỗi kV điện áp vận hành tối đa. Thiết kế ứng suất trường liên quan và thử công nhận được phủ trong phóng điện cục bộ trong các thanh cái ép lớp, và các thiết giới hạn nhiệt được phủ trong quản lý nhiệt thanh cái.

Hai giới hạn điều khiển việc tính cỡ, và chúng dễ nhầm lẫn. Mức tăng nhiệt: nhiệt điện trở trong vật dẫn phải ở trong biên độ vỏ của bạn cho phép — tham chiếu 30 °C trên giả định môi trường 40 °C và lắp không khí tự do. Cấp cách điện: điện môi đặt trần — một hệ PET 105 °C không thể chạy ở 130 °C bất kể đồng lớn dến đâu. Tính cỡ chạy cả hai chiều: đầu tiên tiết diện cho mức tăng nhiệt, rồi lựa chọn điện môi đối chiếu nhiệt độ trạng thái ổn định kết quả.

Gấp đôi diện tích đồng không nhân đôi định mức bên trong một vỏ — các lớp lân cận và phần lân cận làm nóng nhau, và các hệ số giảm định mức trong bảng dòng định mức của chúng tôi áp trên đỉnh các con số này.

Mọi mạch đóng cắt trả một khoản thuế điện áp cho tự cảm vòng dây của nó. Khi một công tắc đảo chiều từ bật sang tắt, dòng vòng dây không thể dừng tức thì; nó đâm vào công tắc giờ đang mở và tạo một xung trên linh kiện. Xung theo V = L × di/dt — tự cảm vòng dây nhân với tốc độ thay đổi dòng. Công tắc càng nhanh, đặc biệt các linh kiện SiC, tự cảm vòng dây thang milihenry càng đắt.

Tự cảm được đặt bởi từ thông giữa đường tiến và hồi, và từ thông tỷ lệ với diện tích vòng dây. Trong một harness cáp các vật dẫn dương và âm nằm cách nhau vài centimet và diện tích vòng dây lớn. Trong một thanh cái ép lớp chúng nằm cách nhau phần milimet như các mặt phẳng song song — hình học tự nhiên triệt tiêu từ thông. Là tham chiếu, cho một tuyến 1 m tương đương: một cặp dây tròn cách nhau 1 mm mang khoảng 0.4 mH tự cảm vòng dây; cùng tiết diện ép lớp như một chồng hạ gần 50 nH, và với các điện môi màng mỏng dưới 0.2 mm cùng vòng dây có thể rơi dưới 20 nH.

Hai quy tắc scaling thực nghiệm từ thực hành thiết kế tham chiếu đáng ghi nhớ:

• Gấp đôi chiều dài vòng dây đảo chiều thêm khoảng 30% vào tự cảm tản mạn của nó.
• Gấp đôi chiều dày cách điện giữa các mặt phẳng đối nghịch thêm khoảng 80%. Khoảng cách lớp có ý nghĩa hơn chiều dài vòng dây.

Hệ quả thiết kế là một hành động cân bằng: tối thiểu khoảng cách trong khi vẫn đáp mức cách điện cần thiết, tối thiểu chiều dài vòng dây trong khi vẫn để chỗ cho nhiệt, và cân bằng chồng mặt phẳng dương và âm tại mọi đầu cực. Chồng đầu cực — không phải đoạn thẳng của thanh — thường thống trị con số cuối. Chúng tôi phủ toàn bộ bộ quy tắc, gồm lặp dựa FEM, trong thiết kế thanh cái tự cảm thấp: nguyên lý và quy tắc bố cục.

Các thay đổi hình học nhỏ di chuyển con số nhiều, nên quy trình thực tế là mô phỏng, chứ không phải nguyên mẫu thử: mô hình riêng thanh cái, thay các tụ bằng một khối ngắn mạch để dòng đi theo đường trở kháng thấp nhất, đầu dò tại các đầu cực linh kiện, và lặp trên các vùng từ thông cao nhất. Một vòng tối ưu tham chiếu chạy từ khoảng 12 nH trên một bố cục đầu cực uốn baseline đến dưới 5 nH sau khi làm phẳng các đầu cực và tăng chồng mặt phẳng — khoảng giảm 60%, với chồng đầu cực và giao diện tụ chịu trách nhiệm cho hầu hết lợi ích.

Một mép đồng cắt là nơi hỏng cách điện thường bắt đầu. Hai chế độ hỏng gặp nhau tại mép: tracking dọc bề mặt dưới điện áp, và phóng điện cục bộ bên trong bất kỳ khe hở không khí bị kẹt.

Niêm phong mép. Màng điện môi được phủ một keo dán kích hoạt trong chu kỳ ép nhiệt-và-áp. Nó dán màng vào vật dẫn và, quan trọng, gấp qua mép cắt để không mép trần và không khe hở không khí nào để lộ. Phốt phải giữ xuyên toàn dải khí quyển của thiết kế — chu kỳ ẩm và, ở độ cao, áp suất thấp, nơi độ bền đánh thủng của bất kỳ bọt khí bị kẹt nào rơi mạnh (độ bền điện môi không khí rơi từ khoảng 3.1 kV/mm ở mực nước biển xuống khoảng 2.0 kV/mm gần 0.5 bar).

Bề mặt leo và khoảng không. Khoảng không là khoảng cách không khí giữa hai vật dẫn; bề mặt leo là khoảng cách bề mặt dọc cách điện giữa các đầu cực tự do. Các yêu cầu scale theo cấp điện áp và mức độ ô nhiễm, và các bảng kiểu IEC 60664 là tham chiếu bắt đầu thông thường. Định mức CTI của màng đặt bạn thực sự cần bao nhiêu bề mặt leo — đó là lý do chúng tôi xác nhận cấp điện áp và môi trường trước khi đề xuất một hệ điện môi.

Phóng điện cục bộ. Ngay cả một chồng đã niêm phong cũng có thể chứa các vi-khoảng trống, và không khí trong một vi-khoảng trống ion hóa dưới ứng suất trường. Theo định nghĩa IEC 60270 (điều 3.1), phóng điện cục bộ là một phóng điện cục bộ chỉ bắc cầu một phần lớp cách điện — thường là các xung ngắn hơn 1 µs. PD gián đoạn là vô hại; PD liên tục trên 10 pC làm mòn cách điện qua nhiều năm và có thể kết thúc bằng ngắn mạch. Chúng tôi công nhận PD dưới 10 pC trên các phần hoàn thiện, ngay cả ở các điện áp thử trên điện áp vận hành. Cơ chế đầy đủ và hướng dẫn thử: phóng điện cục bộ trong các thanh cái ép lớp.

Mức niêm phong mép và bề mặt leo cần thiết scale theo môi trường, không chỉ điện áp:

Các đầu cực là nơi dòng vào và ra khỏi chồng lớp, và là nơi hầu hết vấn đề hiện trường bắt nguồn. Các lựa chọn tiêu chuẩn:

Bốn kỹ thuật kết nối nảy ra lặp đi lặp lại trong duyệt DFM:

• Thanh cái đến mô-đun lực: các trụ hoặc tai vấu nên phản chiếu mẫu đầu cực mô-đun với khe vòng mở tối thiểu; các đầu cực lệch hoặc nghiêng thêm tự cảm nhanh.
• Tụ đến thanh cái: bắt vít hoặc hàn các tụ link DC trực tiếp lên các mặt phẳng thanh cái loại bỏ các dẫn đơn dài — việc giảm tự cảm đơn lớn nhất có sẵn trong một thiết kế link DC.
• Thanh cái đến cáp: các đầu nối tích hợp cho phép dây tủ cắm vào chồng lớp mà không cần một khối chuyển tiếp.
• Thanh cái đến thanh cái: các khớp bắt vít là tiêu chuẩn; nơi hai linh kiện ghép di chuyển tương đối với nhau — xếp chồng dung sai, nở nhiệt — một chồng lamella linh hoạt giữa các đầu cứng giải quyết bài toán. Xem các thanh cái ép lớp linh hoạt.

Điện trở tiếp điểm khớp được giữ thấp bằng cách mạ thiếc vật dẫn, tiêu chuẩn trên các phần của chúng tôi, điều cũng bảo vệ chống lại oxy hóa suốt đời sản phẩm.

• Xác nhận cấp điện áp — điều này đặt lựa chọn điện môi và khoảng cách bề mặt leo.
• Nêu dòng liên tục VÀ đỉnh — tiết diện được tính cỡ đối chiếu cả hai.
• Định nghĩa loại đầu cực và pitch — trụ, tai vấu lưỡi, hàn, cầu chì liên kết.
• Kiểm tra khoảng cách mép và khoảng không điện môi với quy trình lắp ráp của bạn.
• Xét chu kỳ nhiệt, rung và môi trường vỏ của bạn.
• Gửi bản vẽ cho chúng tôi để được dịch vụ duyệt DFM thanh cái trước dụng cụ.

Vượt các hạng mục trên, phiên duyệt DFM của chúng tôi thường phát hiện bốn thứ thêm để xác nhận sớm:

• Các giá trị mô-men đầu cực, và liệu khớp có thấy chu kỳ nhiệt hay không — điều quyết lựa chọn đệm.
• Khoảng không trên và dưới chồng lớp bên trong vỏ; bất cứ gì gần đó thay đổi ngân sách làm mát.
• Liệu các tụ link DC có lắp trực tiếp trên thanh cái hay không, điều ảnh hưởng chồng mặt phẳng và bố cục đầu cực.
• Hồ sơ nhiệm vụ — phần trăm thời gian chạy ở mỗi nhiệt độ — vì đời cách điện được đặt bởi trạng thái nhiệt trung bình, không phải nhiệt độ đỉnh.