積層バスバーの浮遊インダクタンス最適化ガイド: SiC インバーターの電圧スパイクとスイッチング損失を低減する方法

パワー エレクトロニクス システムが従来のシリコン IGBT から炭化ケイ素 (SiC) デバイスに移行する際に、重要な問題が徐々に明らかになってきました。SiC デバイスはスイッチング速度が非常に速いのですが、システム内の浮遊インダクタンスが性能を大きく妨げる可能性があります。浮遊インダクタンスによって引き起こされる電圧スパイクと高周波発振は、デバイスの安全性を脅かすだけでなく、SiC の性能上の利点を大幅に減少させます。-高密度積層バスバーは、このボトルネックに対処するための中核となる構造ソリューションです。-この記事では、積層ブスバーがインダクタンスを低減できる理由と実際の用途における選び方について説明します。

I. SiC デバイスは高速ですが、浮遊インダクタンスが大きな障害になります。

SiC MOSFET はシリコン デバイスよりも 10 倍以上の速度でスイッチングするため、電力密度と効率が向上します。ただし、コインの裏返しとして、スイッチングが高速になると、電流の変化率 (di/dt) が高くなります。式 V=L × di/dt によると、わずか数ナノヘンリーの浮遊インダクタンスでも、デバイス全体に数百ボルトの電圧スパイクが発生する可能性があります。これらのスパイクはバス電圧に重畳され、デバイスの耐電圧制限を超えると破壊して焼損します。

さらに問題となるのは、浮遊インダクタンスが SiC デバイスの出力容量とも共振し、高周波発振（リンギング）を発生させる可能性があることです。-この発振によりスイッチング損失が増加し、デバイスが発熱するだけでなく、重大な電磁干渉も発生して、システムが EMC 認証に合格できなくなります。安全性を確保するために、エンジニアは多くの場合、妥協しなければなりません。耐電圧が高いモジュールを選択するか（コストと損失が増加する）、ゲート抵抗を増やしてスイッチング速度を遅くするか（SiC の高周波の利点を直接無駄にする）のいずれかです。- 3 層ラミネートバスバーの登場は、この問題を構造レベルで根絶することを目的としています。-

II.高出力コンバータの積層バスバーがインダクタンスを低減するのはなぜですか?{1}}

従来のバスバーには 2 つの別々の導体があり、順方向電流と逆方向電流が大きく離れています。それらが生成する磁場は互いに打ち消し合うことができないため、高い浮遊インダクタンスが発生します。高出力コンバータの積層バスバーの中心的なアイデアは、順方向導体と逆方向導体を一緒に積み重ねて、それらを非常に接近させて配線することです。-電流の方向は逆であり、磁界の方向も逆です。 2 つの磁場が互いに打ち消し合い、浮遊インダクタンスを従来のソリューションの 10 分の 1 以下に低減します。{4}}

製品分類の観点から見ると、積層バスバーは通常の導電性バスバーではなく、正確に設計された構造を備えた受動的なパワーコンポーネントです。層の数に応じて、一般的な構造には 3 層、4 層、さらには 5 層が含まれます。層が多いほど、電流経路がよりコンパクトになり、インダクタンスが低くなります。インバータの重要な接続コンポーネントとして、そのインダクタンス値はインバータ全体の動的性能の上限を直接決定します。

Ⅲ．さまざまなアプリケーションシナリオに合わせて積層バスバーを選択するにはどうすればよいですか?

選択の基本的なロジックは、まず電圧レベルを考慮し、次に電流容量を考慮し、最後に設置スペースを考慮することです。

新エネルギー車は現在、積層バスバーの最も急速に成長している適用分野です。{0}電気自動車用の積層バスバーは、自動車グレードの振動と温度サイクル要件を満たしながら、非常に狭いスペース内で数百アンペアの電流を流す必要があります。{2}}通常、低インダクタンスと高い信頼性のバランスをとるために、多層複合構造が採用されています。{4}

鉄道輸送部門には非常に高い安全要件が求められます。地下鉄の積層バスバーは、地下トンネルの閉鎖環境での電磁干渉を制御しながら、防爆-、耐火-、耐食-保護に関する厳しい基準を満たさなければなりません。したがって、高電圧防爆インバータ バスバーなどの保護設計を備えた製品がよく選ばれます。-

3{0}}レベル インバータなどの複雑なトポロジの場合、3-レベル インバータ用の積層バスバーは単一のバスバー内に複数の正および負のバスを統合する必要があるため、構造がより複雑になり、層間絶縁と位置合わせ精度に対する要件がより厳しくなります。複雑なバスバー設置用の積層バスバーは、産業用周波数コンバータ、エネルギー貯蔵システム、その他のアプリケーション向けに設計されており、カスタマイズされたマルチ分岐設計をサポートしています。-