Це завдання на перший погляд здається тривіальною: ну що може бути особливого в прокладці силових живлять шин Здавалося б, досить вибрати відповідне перетин проводів за значенням протікає номінального струму, потурбуватися про надійну ізоляції, – і, власне, можна малювати електромонтажний креслення Такий підхід годиться для конструювання розподільних силових щитів, а от для перетворювальної техніки він не підійде абсолютно Як ми вже говорили раніше, для провідників силових схем, повинні бути мінімальними не тільки їх активні опори (а значить, і довжина провідників також повинна бути мінімальної), але також і значення розподіленої паразитної індуктивності Саме тому для статичних перетворювачів завдання розробки хорошою топології силових звязків перетворюється на ряд трудомістких операцій з електричними і конструктивними розрахунками Пояснимо на прикладі, чому так відбувається і позначимо загальні підходи до створення прийнятною топології

На рис 321 показаний полумостовой каскад, що працює на індуктивне навантаження Для простоти пренебрежем значенням паразитної індуктивності фільтруючого конденсатора С і висновків силових транзисторів VT1 і VT2, залишивши тільки паразитную розподілену індуктивність Ls силових шин Всі перенапруження і режими, близькі до аварійних, зявляються завдяки наявності струму ion відкривання транзистора VT1 і струму закривання /Про^ Того ж транзистора Щоб зрозуміти характер цих режимів, звернемося до рис 322

Рис 321 До поясненням впливу паразитних параметрів

У момент закриття транзистора VT1 відбувається падіння струму iVTl через цей транзистор, але за рахунок наявності паразитної індуктивності Ls напруга на транзисторі VT1, позначене як Uyj \, «підскакує», причому величина «добавки» до напруги живлення Ucc виявиться тим більше, чим швидше відбувається закривання транзистора Які конструктивні заходи забезпечать зниження паразитної індуктивності L. Найпростіший і очевидний спосіб – це якомога більш близьке прилягання мінусового і плюсового струмоведучих провідників, в результаті чого паразитні індуктивності будуть скомпенсовані Як це зробити, пояснює рис 323 Конденсатори фільтру низьких частот групуються в блок і розташовуються в безпосередній близькості від висновків IGBT-транзисторів, а зєднання між ними виконується плоскими платами, прилеглими один до одного через шар діелектрика Обидві шини важливо спроектувати як можна більше однаковими, тоді несиметричні ділянки, які і є джерелом паразитних індуктивностей, зведуться до мінімуму

Рис 323 Симетрична силова шина

Але це далеко ще не все заходи, які можна застосувати, щоб знизити величину паразитної індуктивності силових шин Як показано в роботі [51], паразитную індуктивність можна також знизити, відповідним чином орієнтуючи конденсатори мережевого фільтра, а також складаючи батарею конденсаторів з однотипних елементів з меншим номіналом Пояснимо сказане на прикладі (рис 324) Найбільш невдалим вважається розташування висновків фільтруючого конденсатора перпендикулярно силовому току (рис 324, а), так як в цьому випадку спостерігається несиметрія розподілу елементарних струмів за площею токоведущей шини Як видно з малюнка, в цьому випадку утворюється велика поверхня несиметрії елементарних струмів (так звана «струмова петля»), віддалених один від одного на значні відстані, а значить, не можуть взаємно компенсувати себе Тому рекомендується розташовувати струмоведучі висновки паралельно силовому току, як показано на рис 324, б – в цьому ви-

Рис 324 До поясненням наявності «струмового петлі»

чаї площа «струмового петлі» може бути скорочена в три рази, а, відповідно, в три рази впаде і величина паразитної індуктивності струмоведучих провідників Але це – ще не межа Якщо «набрати» необхідну ємність з декількох конденсаторів меншої ємності, розташувавши їх висновки також паралельно напрямку силового струму (рис 324, в), цей захід дозволить знизити площу «струмового петлі» ще в два рази по порівняно з варіантом «б» Таким чином, тільки за рахунок правильного розташування фільтруючих конденсаторів і їх розбиття на батарею, вдасться зменшити паразитне індуктивність в

6 разів На рис 325 показаний принцип складання силового вузла статичного перетворювача із застосуванням симетричної силовий шини

А чи можна ще якимось чином знизити значення паразитної індуктивності Виявляється – можна Тільки для цього необхідно пріменітьтак звану багатошарову силову шину (laminated bus bar) Такі шини тільки недавно зявилися на ринку компонентів силової електроніки, а тому вітчизняними розробниками вони використовуються поки в дуже обмеженому обсязі, але в найближчому майбутньому без них неможливо створюватиме конкурентоспроможну компактну перетворювальну техніку з струмами силових ланцюгів вдіапа-

Рис 325 Застосування симетричної силовий шини

зоні 30 .. 3000 А Фізично багатошарова силова шина являє собою спресовані спеціальним діелектриком шари силового живлення і вихідні шини, причому таким чином, щоб «плюсової» і «мінусової» силові шари чергувалися один з одним (рис 326) У підсумку силовий струм розподіляється рівномірно між шарами, а верхні шари екранують внутрішні, не даючи електромагнітних перешкод виходити назовні Крім цього, у разі застосування багатошарових силових шин їх основні параметри (активний опір, розподілена послідовна індуктивність, розподілена міжслойна ємність, провідність ізолятора) вже заздалегідь відомі, так як виміряні на заводі-виробнику, і конструктору не доведеться «ламати голову» над побудовою адекватної моделі паразитних параметрів, а просто взяти необхідні дані з технічної документації Чи треба говорити, що всі параметри багатошарових шин оптимізовані найкращим чином, так як виконуються фахівцями

На жаль, застосування багатошарових шин має свою неприємну зворотний бік Ці вироби являють собою продукт високих технологій, що виготовляється на спеціальному обладнанні [52], [53], [54], [55] і з застосуванням спеціальних матеріалів (епоксидні наповнювачі з високим значенням напруги ізоляції, спеціально оброблені марки мідних листів і сплавів на основі міді з забезпеченням високої механічної міцності [56]) На сайтах фірм-виробників є спеціальні інтерактивні форми, за допомогою яких можна зробити замовлення на цю продукцію, вказавши число шарів, конфігурацію, електричні характеристики На жаль, дозволити собі розмістити замовлення на такі високотехнологічні шини можуть тільки фірми з великими обсягами випуску однотипної продукції, іншим же доведеться задовольнятися серійними варіантами, «підганяючи» під них компоновку силової схеми Зрозуміло, що особливо актуальною ця проблема є для вітчизняного виробництва На жаль, автору на момент роботи над книгою не вдалося знайти жодної вітчизняної фірми, яка займається виготовленням ламінованих шин, тому даний сегмент ринку у нас в країні залишається неохопленим Але, тим не менш, освоювати цю технологію доведеться всім, хто хоче втриматися на ринку перетворювальної техніки, а значить, можна припустити, що кошти у вітчизняне виробництво ламінованих багатошарових шин будуть вкладені

Враховуючи, що за ламінованим шинами велике майбутнє, наведемо основні параметри, які необхідно розрахувати для

На рис 327 показаний зовнішній вигляд многослойныхламинированных шин досить простої конфігурації Сучасні технології дозволяють виготовляти також шини з досить складною топологією, в тому числі і просторової – численними вигинами, поворотами, відводами Можна навіть сказати, що в чомусь процес створення топології силових шин наближається до процесу проектування друкованих плат, коли розробник створює топологію друкованої плати, а потім в електронному вигляді направляє файли у виробництво, де вони втілюються в реальну продукцію автоматизованим способом

Рис 327 Зовнішній вигляд багатошарових силових шин

кваліфікованого замовлення їх у виробника При розрахунку основних параметрів ламінованої багатошарової шини зручно звернутися до рис 328

Рис 328 До розрахунку основних параметрів багатошарової ламінованої

шини

Отже, вихідними даними для шини є:

а) активне погонное опір шини (в Ом / мм), розраховане за відомою формулою (для температури 20 ° С):

де p – питомий опір матеріалу шини (вибирається з таблиць для матеріалів, пропонованих виробником шини), Ом • мм

А – перетин проводить шару шини, мм2

Перетин проводить шару шини (в мм2) Розраховується виходячи з максимально-можливого струму шини /тах, Числа шарів шини N за формулою

б) активне погонное опір при максимальній робочій температурі:

де R ^ – опір при максимальній робочій температурі

Ti – нормальна температура (типове значення – 20 ° С)

72 – максимальна робоча температура

а – коефіцієнт теплового зміни опору матеріалу провідника

в) падіння постійної напруги на шині (в Вольтах):

де / – довжина шини

г) значення розподіленої ємності шини, пФ:

де а – відносна діелектрична проникність матеріалу діелектрика

w – ширина шини

d – відстань між «плюсової» і «мінусової» токоведущими шинами

д) розподілена паразитная індуктивність шини, нГн:

e)                       характеристичний імпеданс, Ом:

Характеристичний імпеданс шини дуже важливий для вирішення завдань зниження електромагнітних перешкод: оскільки цей імпеданс «діє» лише на змінному струмі, через нього замикаються всі високочастотні складові комутаційних струмів, імпульсні викиди з малою тривалістю По суті, імпеданс «зїдає» ці перешкоди

Щоб завершити розмову про ламінованих шинах, наведемо приклад, красномовно свідчить про перспективи застосування ламінованих багатошарових шин в перетворювальної техніки Звернемося до рис 329, на якому показані: багатошарова шина (рис 329, а), двухпроводная шина з круглими провідниками

(Розташовані поруч монтажні дроти, рис 329, б) і двухпроводная шина з рознесеними круглими провідниками (рис 329, в) Всі три випадки розраховані для протікання постійних струмів однієї величини У табл 321 зведені основні розрахункові параметри

Таблиця 321 Порівняння різних варіантів струмоведучих шин

Варіант виконання токоведущей шини

С, пФ

L, нГн

Zo, Ом

Ламінована багатошарова шина

5

15,3

1,7

Біфілірованние монтажні дроти

32

686,0

160,0

Рознесені монтажні дроти

13

2,36

338,0

На рис 3210 показано графік частотної залежності значення характеристичного імпедансу для варіанту багатошарової шини (крива «1»), двох розташованих поруч монтажних проводів (крива «2») і рознесених монтажних проводів (крива «3») Добре видно, що багатошарова ламінована шина «працює» на кілька порядків ефективніше інших варіантів у всьому діапазоні частот, які актуальні для перетворювальної техніки

Рис 3210 Порівняння поведінки импедансов при зміні частоти

До цього моменту ми свідомо спростили ситуацію з описом паразитних параметрів силової схеми статичних перетворювачів, щоб розповісти про найбільш вдалих варіантах створення топології струмоведучих силових провідників Зараз ми розширимо кількість «паразитів», додавши їх до схеми рис 321 В результаті у нас повчиться схема, показана на рис 3211 І не виключено, що в результаті конструкторської опрацювання повної силової схеми буде встановлено, що який-небудь з елементів не зможе забезпечити нормальне функціонування перетворювача за величиною свого паразитного параметра (навіть якщо на етапі розробки електричної схеми елемент вважався задовільні), а значить, розробнику доведеться провести додатковий пошук і знайти адекватну заміну Тому не варто впадати в паніку, якщо ця проблема зявляється тільки на стадії конструювання – такі ситуації в області розробки статичних перетворювачів трапляються часто, до них просто треба звикнути

Рис 3211 Повна схема паразитних параметрів

Отже, повна схема паразитних параметрів Виглядає вона на перший погляд гнітючою, а руки так і тягнуться запустити яку-небудь програму схемотехнічного моделювання Але давайте перш за все розберемося, «Що є що» в цій схемі – так нам простіше буде знайти вихідні дані для моделювання

Конденсатори C1 і C2 складають вхідний мережевий фільтр, а їх послідовне включення виконано з метою забезпечити безпечне робоче напругу Як ми зясували в попередньому розділі, ці конденсатори мають також паразитне активний опір (ESR), позначене тут як RC1 (Для конденсатора C1) і RC2 (Для конденсатора C2) Крім того, нам також вже знайомі паразитні індуктивні складові (ESL), позначені як LC1 і LC2 Взявши також з довідкових даних величину тангенса кута втрат (tg 5), можна розрахувати величину еквівалентного імпедансу конденсатора на будь-якій частоті f:

Природно, імпеданс конденсатора повинен бути як можна більш низьким, тоді і перенапруги, що виникають на силових транзисторних ключах, виявляться менше Але, як ми тільки що сказали, знизити величину паразитної індуктивності конденсаторів можна, тільки замінивши конденсатор на інший тип, з більш низьким значенням індуктивності Варіант номер два, також розглянутий нами раніше, – установка снабберних конденсаторів на силові модулі Саме тому при проектуванні топології силових шин конструктору має сенс залишити місце під встановлення снабберних конденсаторів, якщо в процесі випробувань величина перенапруг буде вище допустимої Втім, краще за все не економити на цьому корисному елементі і зажадати від розробника електричної схеми їх установки до розробки топології

Рухаємося далі за схемою, минаючи паразитную розподілену індуктивність силових шин Ls, Про яку ми говорили в цьому самому розділі Решта паразитні індуктивності і ємності є приналежністю силових модулів, і пристойні виробники силовий елементної бази ці паразитні параметри вказують у технічній документації Індуктивності LEVTl і LEVT2 – Так звані «істоковие» (еміттерние) паразитні індуктивності, які при високій швидкості комутації заважатимуть швидкої перезарядки вхідних затворних ємностей Щоб виключити їх вплив, в потужних силових модулях передбачається спеціальний висновок керуючого емітера (витоку), а значить, ніяких конструктивних заходів щодо зниження даних паразитних параметрів конструктору приймати не потрібно – за нього це зробили виробники силових модулів Колекторні індуктивності LCVT1 і LCVT2, Анодні і катодні індуктивності LCVD1, LAVD1, LCVD2, LAVD2 особливої ​​небезпеки не представляють Вони, як правило, мають невелику величину Ємності QjKi> ^ CEi> Qjci> ^ GK2> ЗСе2, CGC2, CVDi, CVDi також відносяться до внутрішніх паразитним елементам силових транзисторів, і розробник силової схеми ніяк на них вплинути не зможе, але в поєднанні з колекторними і еміттерними індуктивностями ці ємності викликають небезпечні коливальні процеси, через що має сенс проводити моделювання схеми з їх урахуванням

Сподіваємося, що з методами зниження паразитних параметрів в силових схемах читач розібрався (хоча б у першому наближенні) І на закінчення цього розділу представимо компонувальну схему статичного перетворювача потужністю 5 МВт з рідинним охолодженням На рис 3212 показана елементарна комірка перетворення, що складається з повного моста на основі чотирьох IGBT-модулів Co-

Рис 3212 Елементарна комірка перетворювача потужністю 5 МВт

єднання між модулями виконані ламінованої багатошарової шиною, а самі модулі встановлені на радіатор з системою прокачування рідини Праворуч від осередку розташований охолоджувач рідини, до якого кріпиться вентилятор Потужність цієї елементарної комірки становить 1,7 МВт, система охолодження відводить потужність 10 кВт

Шість елементарних осередків обєднані в стійку (рис 3213) за допомогою мідних струмопровідних одиночних шин Розміри стійки: 2200 x 1200 x 600 мм, а її потужність – ті самі 5 МВт Такого розміру перетворювача при настільки високій номінальній потужності вдалося добитися в тому числі і завдяки раціональній компонуванні, мінімізувавши паразитні параметри

Джерело: Семенов Б Ю Силова електроніка: професійні рішення – М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 – 416 c: Ил