指定高密度電源轉換器中母線的方法

電源轉換行業(yè)在產品性能、成本和制造質量方面面臨著越來越大的壓力。這種趨勢給轉換器子組件帶來了具有挑戰(zhàn)性的技術限制，導致效率、可靠性和成本效益下降。

適當設計的互連 LBB 可以有效減輕高功率轉換器的過沖電壓、電磁干擾、開關損耗和熱應力。此步驟是強制性的，以避免可能導致轉換器故障的嚴重故障。（圖1）。

圖 1. 尺寸 過小的元件對轉換器質量的影響。圖片由 Bodo ’s Power Systems提供

隨著電壓水平的升高，多電平轉換器拓撲是限制 dv/dt 應力的解決方案，但這使機械設計和每個導體之間的電氣相互作用的定義變得復雜。

可靠、準確地確定這些參數(shù)對于緊湊性、安全性、電氣魯棒性以及熱和磁性能問題至關重要。

Bus Bar Calculator? 是 LBB 制造商 MERSEN 和 GT-PowerForge 軟件開發(fā)商 GAMMA TECHNOLOGIES 之間合作的成果，該軟件提出了一種創(chuàng)新方法來快速、高效、準確地收集轉換器的運行狀況。

部分詳細介紹了主要的 LBB 設計約束。在第二部分中，詳細介紹了基于軟件的解決方案如何幫助收集約束。

母線約束

開關器件在各種頻率下工作，會產生電壓峰值，該電壓峰值與換向電流環(huán)路 (CCL) 的總雜散串聯(lián)電感成比例增加，如圖 2 所示。為了防止轉換器超過擊穿電壓，雜散電感需要化。該參數(shù)取決于互連的幾何形狀和結構，例如母線，如圖 3 所示。

從幾 kHz 到幾百 kHz 的開關頻率會產生電流諧波，需要對其進行識別以解決熱問題。事實上，如果 LBB 導體冷卻或設計不當，由于趨膚效應和鄰近效應，這些諧波可能會使系統(tǒng)過熱。

圖 2. 電感對浪涌電壓的影響。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

圖 3. 轉換器的電氣圖。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

為了說明這一現(xiàn)象，圖 4 顯示了 70 °C 時電流密度映射、熱加熱和溫度與通過銅棒的電流頻率的函數(shù)關系。

圖 4. 不同頻率下電流密度和熱加熱的集膚效應。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

這些結果來自 Comsol Multiphysics?，這是一款跨平臺有限元分析、求解器和多物理場仿真軟件。

可以看出，高頻時邊緣的電流密度高于低頻時的電流密度，導致熱點區(qū)域的溫度升高 35°C，這可能會使 LBB 分層，終導致導體短路。

更一般而言，dv/dt 增加的趨勢會引發(fā)關鍵事件，例如局部放電 (PD) 和電擊穿。因此，有必要針對正確的應用參考正確的標準來正確定義電氣測試電壓和絕緣配合，包括電氣間隙和爬電距離。

必須區(qū)分電氣間隙和爬電距離，如圖 5 所示。足夠的絕緣距離可以防止氣隙電離以及隨后的閃絡或電氣跟蹤故障。

圖 5. 電氣間隙和爬電距離的表示。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

LBB 設計過程中的所有這些關鍵要素（電感、熱量、局部放電、絕緣距離）都會導致相反的要求，并且應特別注意熱、電和磁約束之間的折衷。任何類型的偏差都可能導致轉換器立即或延遲發(fā)生故障，從而可能帶來人類風險。

目前還沒有轉換器設計工具考慮將無源和有源組件互連在一起的所有元件，以實現(xiàn)更好的設計過程和優(yōu)化。

借助 Bus Bar Calculator，可以將轉換器的完整運行條件以及技術和環(huán)境互連要求作為輸入條件來填充，以計算設計 LBB 所需的轉換器輸出。它致力于通過其完整設計的所有利益相關者標準化和傳達母線技術要求，并在設計階段開始時考慮限制。