Principes de conception des barres omnibus empilées à faible-inductance parasite-haute-densité et analyse de leur application dans les systèmes électroniques de puissance à haute-puissance

 

Poussés par les progrès des véhicules à énergie nouvelle, des systèmes de stockage d'énergie, du transport ferroviaire, de l'automatisation industrielle et des technologies de réseaux intelligents, les équipements électroniques de puissance-à haute puissance évoluent vers des tensions, des fréquences et des densités de puissance plus élevées. Dans ce processus, les dispositifs semi-conducteurs à large bande interdite de nouvelle{{2}génération-illustrés par le carbure de silicium (SiC)-remplacent progressivement les IGBT traditionnels à base de silicium-, constituant une voie technologique clé pour améliorer l'efficacité du système et réduire la taille des équipements.

 

Par rapport aux matériaux silicium traditionnels, les semi-conducteurs SiC offrent une bande interdite plus large, un champ électrique critique plus élevé, des pertes de conduction plus faibles et des performances supérieures à haute température. Ces avantages permettent aux MOSFET SiC de fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées tout en permettant la réduction de la taille des composants magnétiques et des structures de gestion thermique, augmentant ainsi la densité de puissance globale.

 

Toutefois, les capacités de commutation-à grande vitesse introduisent également de nouveaux défis d'ingénierie. À mesure que la vitesse de commutation des appareils électriques augmente, les taux de variation du courant (di/dt) et de la tension (dv/dt) augmentent considérablement. Dans ces conditions, les paramètres parasites inévitables au sein de la boucle de puissance -notamment l'inductance parasite-exercent un impact substantiel sur les performances du système.

 

Lors d'une commutation à grande vitesse-, l'inductance parasite génère des pics de tension transitoires conformément à la relation :

 

V=L × di/dt

 

Lorsque le courant change rapidement, même une infime quantité d’inductance parasite peut produire des dépassements de tension de plusieurs dizaines de volts ou plus. Ces tensions transitoires augmentent non seulement la contrainte de tension sur les appareils électriques, mais peuvent également pousser les appareils au-delà de leur zone de fonctionnement sûr (SOA), compromettant ainsi la fiabilité du système.

 

Par conséquent, dans les systèmes de conversion-haute puissance modernes, la minimisation de l'inductance parasite de la boucle de puissance est devenue un objectif de conception essentiel pour améliorer l'efficacité, améliorer les performances en matière d'interférences électromagnétiques (EMI) et garantir le fonctionnement sûr des dispositifs à semi-conducteurs.

 

 

 

L'inductance parasite n'est pas un paramètre généré par un seul composant discret ; c’est plutôt le résultat de la géométrie collective de l’ensemble de la boucle de courant. Cela provient principalement de l'inductance des conducteurs eux-mêmes, ainsi que des bornes de connexion, des câbles, des traces de circuits imprimés, de l'emballage interne des modules d'alimentation et des structures d'interconnexion des jeux de barres.

 

Dans les systèmes électriques traditionnels utilisant des jeux de barres ou des faisceaux de câbles en cuivre standard, il existe souvent une séparation spatiale importante entre les chemins de courant positif et négatif, ce qui augmente la surface de la boucle de courant. Selon les principes de l'électromagnétisme, plus la zone de boucle est grande, plus la plage du champ magnétique généré est large et plus l'inductance parasite correspondante est élevée.

 

Dans les systèmes électroniques de puissance à haute fréquence-, le courant ne circule pas simplement le long d'un conducteur ; au lieu de cela, cela crée une distribution complexe de champ électromagnétique dans tout l’espace environnant. Par conséquent, la clé pour réduire l'inductance parasite ne réside pas simplement dans l'augmentation de l'épaisseur de la barre omnibus en cuivre, mais également dans l'optimisation du chemin du courant - en rapprochant le plus possible les boucles de circuit positives et négatives et en minimisant les régions où l'énergie du champ magnétique est stockée.

 

C'est l'une des principales raisons pour lesquelles les jeux de barres laminés à haute densité-sont si largement utilisés.

 

 

Une barre omnibus laminée est une structure d'interconnexion de puissance-hautes performances formée en combinant plusieurs couches de matériau conducteur avec un support isolant. Généralement, il contient des matériaux hautement conducteurs-tels que le cuivre ou l'aluminium-comme couches conductrices, séparés par des matériaux isolants qui offrent une excellente résistance diélectrique et une excellente stabilité mécanique ; l'ensemble de l'ensemble est lié en une structure unifiée grâce à des processus tels que le pressage à chaud, le collage ou le laminage.

 

Par rapport aux barres omnibus traditionnelles en cuivre à une seule couche, le plus grand avantage de la structure laminée est sa capacité à atteindre un degré élevé de chevauchement entre les chemins de courant positifs et négatifs.

 

Lorsque des courants circulant dans des directions opposées traversent des conducteurs adjacents, le principe d'annulation du champ électromagnétique s'applique : les champs magnétiques générés par les deux courants s'opposent, réduisant ainsi le flux magnétique total produit par la boucle de courant et abaissant ainsi l'inductance équivalente du système.

 

Par conséquent, un jeu de barres laminé est plus qu’un simple composant de connexion mécanique ; c'est une structure électromagnétique critique qui influence les performances dynamiques des systèmes électroniques de puissance.

 

Dans les onduleurs de haute-puissance, les convertisseurs de stockage d'énergie et les équipements d'alimentation électrique industriels, la conception à faible-inductance est devenue une mesure clé pour optimiser les structures des jeux de barres. Par exemple, certaines-applications de commutation à grande vitesse nécessitent des barres omnibus laminées spécialement conçues-telles que celles utilisées dans les entraînements à fréquence variable (VFD)-pour répondre aux exigences du système en matière de réponse rapide et de fonctionnement à faibles-pertes.

 

 

 

À mesure que le niveau d'intégration des équipements électroniques augmente, les jeux de barres laminés se sont étendus au-delà des secteurs traditionnels de l'alimentation électrique industrielle pour atteindre divers domaines d'application-à haute puissance.

 

Par exemple, les systèmes d'alimentation des serveurs, des équipements de télécommunications et des centres de données nécessitent des structures de distribution d'énergie très fiables pour minimiser les pertes de transmission. En conséquence, les barres omnibus laminées sont utilisées dans les-équipements informatiques à haute densité-tels que dans les circuits imprimés ou les fonds de panier des superordinateurs-pour garantir une alimentation stable pour les plates-formes informatiques-à grande vitesse.

 

Dans le domaine des infrastructures de télécommunications, les équipements de stations de base-haute puissance nécessitent également des solutions de connexion électrique compactes et efficaces ; les jeux de barres laminés répondent efficacement aux contraintes d'espace et au besoin de fonctionnement continu dans la distribution d'énergie des stations de base cellulaires.

 

De plus, dans les-systèmes électriques à grande échelle, les jeux de barres laminés sont utilisés dans des architectures électriques modulaires-comme dansJeu de barres de l'unité de distribution d'énergie (PDU)structures-pour faciliter les connexions à faibles-pertes entre plusieurs modules d'alimentation et améliorer la fiabilité globale du système.