指定高密度电源转换器中母线的方法

电源转换行业在产品性能、成本和制造质量方面面临着越来越大的压力。这种趋势给转换器子组件带来了具有挑战性的技术限制,导致效率、可靠性和成本效益下降。

适当设计的互连 LBB 可以有效减轻高功率转换器的过冲电压、电磁干扰、开关损耗和热应力。此步骤是强制性的,以避免可能导致转换器故障的严重故障。(图1)。

指定高密度电源转换器中母线的方法


图 1. 尺寸 过小的元件对转换器质量的影响。图片由 Bodo ’s Power Systems提供

随着电压水平的升高,多电平转换器拓扑是限制 dv/dt 应力的解决方案,但这使机械设计和每个导体之间的电气相互作用的定义变得复杂。

可靠、准确地确定这些参数对于紧凑性、安全性、电气鲁棒性以及热和磁性能问题至关重要。

Bus Bar Calculator? 是 LBB 制造商 MERSEN 和 GT-PowerForge 软件开发商 GAMMA TECHNOLOGIES 之间合作的成果,该软件提出了一种创新方法来快速、高效、准确地收集转换器的运行状况。

部分详细介绍了主要的 LBB 设计约束。在第二部分中,详细介绍了基于软件的解决方案如何帮助收集约束。

母线约束

开关器件在各种频率下工作,会产生电压峰值,该电压峰值与换向电流环路 (CCL) 的总杂散串联电感成比例增加,如图 2 所示。为了防止转换器超过击穿电压,杂散电感需要化。该参数取决于互连的几何形状和结构,例如母线,如图 3 所示。

从几 kHz 到几百 kHz 的开关频率会产生电流谐波,需要对其进行识别以解决热问题。事实上,如果 LBB 导体冷却或设计不当,由于趋肤效应和邻近效应,这些谐波可能会使系统过热。

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图 2. 电感对浪涌电压的影响。图片由 Bodo’s Power Systems提供

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图 3. 转换器的电气图。图片由 Bodo’s Power Systems提供

为了说明这一现象,图 4 显示了 70 °C 时电流密度映射、热加热和温度与通过铜棒的电流频率的函数关系。

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图 4. 不同频率下电流密度和热加热的集肤效应。图片由 Bodo’s Power Systems提供

这些结果来自 Comsol Multiphysics?,这是一款跨平台有限元分析、求解器和多物理场仿真软件。

可以看出,高频时边缘的电流密度高于低频时的电流密度,导致热点区域的温度升高 35°C,这可能会使 LBB 分层,终导致导体短路。

更一般而言,dv/dt 增加的趋势会引发关键事件,例如局部放电 (PD) 和电击穿。因此,有必要针对正确的应用参考正确的标准来正确定义电气测试电压和绝缘配合,包括电气间隙和爬电距离。

必须区分电气间隙和爬电距离,如图 5 所示。足够的绝缘距离可以防止气隙电离以及随后的闪络或电气跟踪故障。

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图 5. 电气间隙和爬电距离的表示。图片由 Bodo’s Power Systems提供

LBB 设计过程中的所有这些关键要素(电感、热量、局部放电、绝缘距离)都会导致相反的要求,并且应特别注意热、电和磁约束之间的折衷。任何类型的偏差都可能导致转换器立即或延迟发生故障,从而可能带来人类风险。

目前还没有转换器设计工具考虑将无源和有源组件互连在一起的所有元件,以实现更好的设计过程和优化。

借助 Bus Bar Calculator,可以将转换器的完整运行条件以及技术和环境互连要求作为输入条件来填充,以计算设计 LBB 所需的转换器输出。它致力于通过其完整设计的所有利益相关者标准化和传达母线技术要求,并在设计阶段开始时考虑限制。

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