低{0}}浮遊-インダクタンス高密度-積層バスバーの設計原理と、高出力パワー エレクトロニクス システムにおけるその応用の分析-

 

新エネルギー車両、エネルギー貯蔵システム、鉄道輸送、産業オートメーション、スマート グリッド テクノロジーの進歩により、高出力パワー エレクトロニクス機器は、より高電圧、より高い周波数、より高い電力密度に向けて進化しています。{0}このプロセスでは、炭化ケイ素 (SiC) に代表される次世代-ワイド-バンドギャップ半導体デバイス--が従来のシリコン ベースの IGBT に徐々に取って代わりつつあり、システム効率の向上と装置サイズの縮小のための重要な技術経路として機能しています。-

 

従来のシリコン材料と比較して、SiC 半導体は、より広いバンドギャップ、より高い臨界電界、より低い伝導損失、および優れた高温性能を備えています。-これらの利点により、SiC MOSFET はより高いスイッチング周波数で動作できると同時に、磁気コンポーネントと熱管理構造の小型化が可能となり、全体の電力密度が向上します。

 

ただし、高速スイッチング機能により、エンジニアリング上の新たな課題も生じます。-パワーデバイスのスイッチング速度が増加すると、電流変化率 (di/dt) と電圧変化率 (dv/dt) が大幅に増加します。このような条件下では、電力ループ内の避けられない寄生パラメータ-特に浮遊インダクタンス-がシステム パフォーマンスに大きな影響を与えます。

 

高速スイッチング中、浮遊インダクタンスは次の関係に従って過渡電圧スパイクを生成します。-

 

V=L × di/dt

 

電流が急速に変化すると、微量の浮遊インダクタンスでも数十ボルト以上の電圧オーバーシュートが発生する可能性があります。これらの過渡電圧は、パワー デバイスの電圧ストレスを増大させるだけでなく、デバイスが安全動作領域 (SOA) を超えてしまい、システムの信頼性が損なわれる可能性があります。

 

そのため、現代の高電力変換システムでは、電力ループの浮遊インダクタンスを最小限に抑えることが、効率の向上、電磁干渉（EMI）性能の向上、半導体デバイスの安全な動作の確保のための重要な設計目標となっています。{0}

 

 

 

浮遊インダクタンスは、単一のディスクリート部​​品によって生成されるパラメータではありません。むしろ、それは現在のループ全体の集合的なジオメトリの結果です。これは主に、導体自体のインダクタンス、接続端子、ケーブル、PCB トレース、内部パワー モジュールのパッケージング、およびバスバーの相互接続構造から発生します。

 

標準的な銅バスバーまたはワイヤリングハーネスを利用する従来の電力システムでは、正と負の電流経路の間に大きな空間的分離があることが多く、これにより電流ループの面積が増加します。電磁気の原理によれば、ループ面積が大きいほど、発生する磁界の範囲が広くなり、それに対応する寄生インダクタンスも大きくなります。

 

高周波パワー エレクトロニクス システムでは、電流は導体の長さに沿って単純に流れるわけではありません。代わりに、周囲の空間全体に複雑な電磁場分布が作成されます。したがって、浮遊インダクタンスを低減する鍵は、銅バスバーの厚さを増やすだけではなく、電流経路を最適化し、正と負の回路ループを可能な限り近づけ、磁界エネルギーが蓄積される領域を最小限に抑えることにあります。{2}}

 

これが、高密度積層バスバーが広く使用されている主な理由です。{0}

 

 

ラミネートバスバーは、複数の層の導電性材料と絶縁媒体を組み合わせて形成される高性能の電力相互接続構造です。{0}通常、銅やアルミニウムなどの高導電性材料-が導体層として使用され、優れた絶縁耐力と機械的安定性を備えた絶縁材料によって分離されています。アセンブリ全体は、ホットプレス、接着、積層などのプロセスを通じて一体化された構造に結合されます。

 

従来の単層銅バスバーと比較した場合、積層構造の最大の利点は、正と負の電流経路間の高度な重複を達成できることです。

 

逆方向に流れる電流が隣接する導体を通過する場合、電磁界キャンセルの原理が適用されます。つまり、2 つの電流によって生成される磁界が互いに反対し、電流ループによって生成される総磁束が効果的に減少し、それによってシステムの等価インダクタンスが低下します。

 

したがって、積層バスバーは単なる機械的接続コンポーネントではありません。これは、パワー エレクトロニクス システムの動的性能に影響を与える重要な電磁構造です。

 

高出力インバータ、エネルギー貯蔵コンバータ、産業用電源装置では、低インダクタンス設計がバスバー構造を最適化するための重要な指標となっています。-たとえば、特定の高速スイッチング アプリケーションでは、高速応答と低損失動作に対するシステム要件を満たすために、可変周波数ドライブ (VFD) で使用されるものなど、特別に設計された積層バスバー-が必要です。-

 

 

 

電子機器の統合レベルが高まるにつれて、積層バスバーは従来の産業用電源分野を超えて、さまざまな高電力アプリケーション分野に拡大しています。{0}}

 

たとえば、サーバー、通信機器、データセンターの電源システムには、伝送損失を最小限に抑えるため、信頼性の高い配電構造が必要です。したがって、積層バスバーは、高速コンピューティング プラットフォームへの安定した電力供給を確保するために、スーパーコンピュータの回路基板やバックプレーンなどの高密度コンピューティング機器-内-内で採用されています。-

 

電気通信インフラストラクチャの分野では、高出力基地局装置にもコンパクトで効率的な電力接続ソリューションが求められます。{0}積層バスバーは、スペースに関する制約と、セルラー基地局の配電における連続動作の必要性を効果的に満たします。

 

さらに、大規模電力システムでは、-積層バスバーがモジュラー電力アーキテクチャで利用されています。-配電ユニット (PDU) バスバー構造-により、複数の電源モジュール間の低損失接続が容易になり、システム全体の信頼性が向上します。{1}