【经验】罗杰斯解析叠层母线排的电感优化
开关电路的杂散电感是电力电子设计中的关键参数之一，它对使用碳化硅和氮化镓等宽禁带半导体的系统而言变得更加重要。
电力电子设备的工作原理是使开关（半导体器件）在千赫量级的频率下换流，以产生低频或直流功率。在改变开关的状态时，必须应对电路中的电压和电流。例如，开关状态由开到关时，开关中流动的电流往往会继续流动，这种现象称为“电惯性”或“电感”。当电流流到闭合的开关处时，会像海浪冲击防波堤一样“撞击”开关，造成电压突增。因此，电感越高，对半导体的冲击电压也越高。事实上，这种现象类似于水锤现象，当我们关闭水龙头时，管道中流动的液体的速度会转换成超压（这就是为什么所有管道工都会建议一定要缓慢地关闭水龙头）。
电力电路的电感还会带来其他不利影响，例如电磁干扰（EMI）。电流值一定时，大电感往往是大的无约束磁通的结果，可通过改变导体的形状和换流路径来使其降低。
叠层母线排的工作原理如下：导体的电感取决于导体的形状、换流路径的距离以及平行导体赋予的低电感几何结构：确切地说是母线排的结构。在要求将电感降低到最低限度时，在叠层母线排上以非常近的距离布置导体，在一些情况下间距小于 100µm。
一对间隔 1 mm、长 1 m 的导线，电感约为 0.4 mH。这一数值看起来较低，但在电力电子领域，要求电感在纳亨级别。母线排中相同部分的等效结构电感为 50 nH，降低了88%。此外，如果通过高端绝缘将两个导体之间的距离缩短，例如缩短 0.2 mm，则电感会被降低至 20 nH 以下。
这是显示母线排布局和能够使用简单公式进行计算的理想情况。母线排在实际应用中的形状要复杂得多，且必须满足许多其他方面的要求，如连接端子（连接至半导体器件、电容器、电力电缆或其他母线排）、所需电压水平的绝缘、足够的散热条件、元器件固定以及可生产性等。
通常在实验室或在现场测定使用的母线排的电感。在测定时需要使用高度专业化的设备，并进行精心调试。此外，必须至少生产一片试样。母线排的几何结构出现小的变动都会对电感造成较大的影响，因此，很难制造出能够经改进后用于试验和优化的试样。但在进行有限元模拟时，不用实物，并且可以在母线排的 3D 模型中轻松完成改进，方便实现低电感解决方案的快速迭代。此外，可在进行电流分配和热分析等有限元模拟的同时评估母线排的其他特性，从而得到经过高度优化的产品。在模拟母线排对其电感进行评估时，会形成一个磁场。正如我们前面所提到的，电感与磁场成正比。与此同时，在模拟时会在很宽的频率范围进行快速扫频，达到兆赫量级。这一点尤其有用，这是因为磁通量高度依赖于频率，且所有系统都是按照具体的开关频率设计的。因此按照模拟结果，定位关键的改进区域并付诸行动是很容易的。
下面罗杰斯（ROGERS）将展示如何对电感进行优化。
第一步是对进行模拟的母线排构建 3D 模型。模型中通常不包括半导体器件和电容器。使用短路装置代替电容器，从而电流可以沿低阻抗路径流动。要计算这条路径，模拟软件考虑到了所有电磁场的物理限制情况，包括高频下的邻近效应和集肤效应。在连接半导体器件时，放置了用于评估电感的探针。
下面的图片显示了母线排初步设计的 3D 模型。图中以蓝色突出显示的元件为代替电容器的短路块，以红色突出显示的元件为在这种情况下放置在中部 IGBT 连接处的探针。
模拟显示了母线排及其周围磁通量（单位：µT，探针电流仅为 1 A）较高的区域。可以观察到，IGBT 接线端子处的磁通量最高，电感也最高。电容器连接处的电感次之。系统在模拟频率为 5 kHz 时的总电感为 12.0 nH。
在放大终端区域后，可以看到终端之间的开口处有产生磁通量。因此，这就是为什么建议对这部分进行优化可以在很大程度上降低电感。
首先要进行的优化是将原设计中的弯曲终端，替换为具有连接套管的扁平端子。优化之后，可以缩小开口间隙，并将电感降低至 9.2 nH。
在后续优化中，终端之间的重叠部分会增大，这将降低该区域的磁通量，然后进一步将电感降低至 4.5 nH。
继续进行优化，处理母线排的其他区域。已经证明，经快速优化后，母线排的电感能够降低 63%，达到低于 5 nH 的数值。通过使用合适的工具，基于一定的知识和经验，有限元模拟是对叠层母线排的电感进行优化的理想方式，最终将母线排构造成电感水平最低的结构，以提高电力电子系统的性能。
- |
- +1 赞 0
- 收藏
- 评论 1
本文由翊翊所思转载自ROGERS，原文标题为:叠层母线排的电感优化，本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。
相关推荐
【经验】 叠层母线排绝缘材料——柔性与刚性绝缘及其参数浅谈
得益于出色的质量和可靠性、电气和机械专业性、联合研发优势和灵活的交货期，以及在电动汽车/混合动力汽车等高功率市场的广泛应用，罗杰斯ROLINX®母线排一直受到众多设计师的肯定和选择。今天我们所要探讨的话题是叠层母线排的柔性与刚性绝缘材料及其参数。
设计经验 发布时间 : 2022-05-20
【经验】如何选择合适介电常数的Rogers高频板材？
在选择板材rogers高频板材时，最关注的指标是介电常数。但也有一部分工程师对介电常数理解的比较片面，在选择rogers高频板材时，会遇到一些问题，通过本文讲解，可以更好的帮助工程师快速准确的选择合适介电常数的板材。介电常数和频率相关，同一种板材的不同厚度有时会有一定差异。rogers板材的范围1.96（RT/duriod 5880LZ）-13(TMM13i)。
设计经验 发布时间 : 2018-08-19
Rogers高频板RO4350B板材在24GHz时介电常数和损耗因子
Rogers高频板RO4350B达到了成本和高频性能的最优化，是最具性价比的低损耗高频板材。为了更好的实现设计要求，笔者在设计微带阵列天线时研究了基于Rogers高频板RO4350B板材的微带传输线在24GHz的插入损耗。
设计经验 发布时间 : 2024-04-29
Rely On Rogers | 罗杰斯电力电子产品解决牵引系统电气化的大功率挑战
罗杰斯的先进电子解决方案在配电领域拥有独特优势。牵引系统中功率模块发挥着核心作用，curamik®陶瓷基板有助于大功率模块有效散热及可靠性。对于配电，ROLINX®母线排可用作牵引系统的配电“高速路”。设计合理的叠层母线排可实现最低整体系统电感和最平衡的分布电容，成为高需求推进引擎的理想选择。
应用方案 发布时间 : 2024-11-08
【产品】罗杰斯ROLINX® Hybrid母线排有效消除布线错误，缩短装配时间，助力电池电芯优化互连
ROGERS ROLINX® Hybrid母线排运用特殊专利技术连接外部信号采集板和功率母排，从而实现各种连接器、传感器件和柔性线路板以及功率母排集成的一体解决方案；有助于消除布线错误，缩短装配时间，适合方形和圆柱形单体电池。
产品 发布时间 : 2023-09-01
【技术】一文详解叠层母线排的热管理
尽管在逆变器的整个寿命期间，母线排的性能通常优于逆变器的所有其它部件，但是在长寿命期间，绝缘材料变脆/开裂是最常见的故障，具体取决于工作条件，这种故障可能造成电击穿和系统失效。本文ROGERS将描述说明部件受热或“热管理”情况。
新技术 发布时间 : 2022-01-14
罗杰斯ROLINX®母线排为电动汽车充电站提供可靠高效配电保障，温度范围-40到+125℃
随着全球电动汽车保有量的日益增长，作为配套设施的充电站的需求也随之增加。母线排对于维护这些充电站的可靠性至关重要，它是配电电路中的关键组件，可将电源电流传输到电动汽车充电电路输入接口。
器件选型 发布时间 : 2024-09-27
Rely On Rogers | 罗杰斯电力电子解决方案助力智能电网可靠高效运转
ROGERS罗杰斯在智能电网中，通过curamik®高效陶瓷基板和ROLINX®高可靠母线排，显著提升设备效率与可靠性。curamik®基板以卓越导热、高绝缘及低热膨胀特性，保障电力电子器件稳定运行；ROLINX®母线排则凭借低电感、高功率密度设计，实现高效配电。罗杰斯以创新技术助力智能电网发展，提供定制化解决方案，满足复杂电力需求。
产品 发布时间 : 2024-09-10
ROGERS为电动航空提供安全可靠的叠层母线排解决方案
叠层母线排是大部分固体功率变流器的最佳解决方案。在电动飞机中，叠层母线排用于为电动机提供动力的主逆变器。罗杰斯还提供了ROLINX®CapLink解决方案，该解决方案将电容器与专门设计用于大功率逆变器的低电感、大能量密度的ROLINX叠层母线排结为一体。
原厂动态 发布时间 : 2021-08-11
ROLINX叠层母线排解决方案概览
型号- ROLINX PERFORMANCE,ROLINX POWERCIRCUIT,ROLINX FLEX,ROLINX HYBRID,ROLINX EASY,ROLINX THERMAL,ROLINX CAPLINK,ROLINX COMPACT
Temporary Lead Time Extension for Products Made in Rogers Suzhou Factory
型号- RO4830™,RO4535™,KAPPA® 438,DICLAD880™,RO4533™,RO4000™,DICLAD®,RO3003G2™,RO3035™,RO3003™,RO4003C™,RO4835™,RO3003G2™ PM,TC350™,RO4534™,RO4730G3™ R2,RO4835T™,RO4233™,RO4350B™,RO3006™,AD255™,AD300™,RO3010™,RO3000™,TC350™ PLUS
电子商城
品牌：ROGERS
品类：Circuit Materials
价格：￥2,479.9453
现货： 1,679
品牌：ROGERS
品类：High Frequency Circuit Materials
价格：￥547.1207
现货： 1,531
品牌：ROGERS
品类：Antenna Grade Laminates
价格：￥2,989.4355
现货： 429
品牌：ROGERS
品类：Liquid Crystalline Polymer Circuit Material
价格：￥1,485.0299
现货： 253
品牌：ROGERS
品类：Antenna Grade Laminates
价格：￥2,571.9097
现货： 250
品牌：ROGERS
品类：PTFE/Woven Fiberglass Laminates
价格：￥16,030.1502
现货： 201
品牌：ROGERS
品类：High Frequency Circuit Materials
价格：￥3,332.3918
现货： 200
品牌：ROGERS
品类：High Frequency Circuit Materials
价格：￥4,679.1859
现货： 180
服务
使用FloTHERM和Smart CFD软件，提供前期热仿真模拟、结构设计调整建议、中期样品测试和后期生产供应的一站式服务，热仿真技术团队专业指导。
实验室地址： 深圳 提交需求>
可加工PCB层数：1-30层；板材类型：FR4板/铝基板/铜基板/刚扰结合板/FPC板/高精密板/Rogers高频板；成品尺寸：5*5mm~53*84cm；板厚：0.1~5.0mm。
最小起订量： 1 提交需求>
授权代理品牌：集成电路
授权代理品牌：分立元件
授权代理品牌：接插件及结构件
授权代理品牌：部件、组件及配件
授权代理品牌：电源及模块
授权代理品牌：电子材料
授权代理品牌：仪器仪表及测试配组件
授权代理品牌：电工工具及材料
授权代理品牌：机械电子元件
授权代理品牌：加工与定制
我要提问
登录 | 立即注册
提交评论