저-스트레이-인덕턴스 고-밀도 적층 버스바의 설계 원리 및 고전력 전력 전자 시스템에서의 응용 분석

 

신에너지 차량, 에너지 저장 시스템, 철도 운송, 산업 자동화, 스마트 그리드 기술의 발전에 힘입어 고전력 전력 전자 장비는 더 높은 전압, 더 높은 주파수, 더 높은 전력 밀도로 발전하고 있습니다. 이 과정에서 실리콘 카바이드(SiC)로 대표되는 차세대-광대역-밴드갭 반도체 장치-가 점차 기존 실리콘- 기반 IGBT를 대체하고 있으며, 이는 시스템 효율성을 향상하고 장비 크기를 줄이는 핵심 기술 경로 역할을 하고 있습니다.

 

기존 실리콘 소재에 비해 SiC 반도체는 더 넓은 밴드갭, 더 높은 임계 전기장, 더 낮은 전도 손실, 우수한 고온 성능을 제공합니다.{0}} 이러한 장점을 통해 SiC MOSFET은 더 높은 스위칭 주파수에서 작동하는 동시에 자기 구성 요소 및 열 관리 구조의 크기를 줄여 전체 전력 밀도를 높일 수 있습니다.

 

그러나 고속-스위칭 기능은 새로운 엔지니어링 문제를 야기합니다. 전력 소자의 스위칭 속도가 증가함에 따라 전류 변화율(di/dt)과 전압(dv/dt)의 변화율이 크게 증가합니다. 이러한 조건에서는 전력 루프 내의 피할 수 없는 기생 매개변수-가장 두드러지게 부유 인덕턴스-가 시스템 성능에 상당한 영향을 미칩니다.

 

고속-스위칭 중에 부유 인덕턴스는 다음 관계식에 따라 과도 전압 스파이크를 생성합니다.

 

V=L × di/dt

 

전류가 급격하게 변하면 아주 작은 양의 부유 인덕턴스라도 수십 볼트 이상의 전압 오버슈트를 생성할 수 있습니다. 이러한 과도 전압은 전원 장치의 전압 스트레스를 증가시킬 뿐만 아니라 장치가 SOA(안전 작동 영역)를 벗어나게 하여 시스템 신뢰성을 저하시킬 수도 있습니다.

 

결과적으로 최신 고전력 변환 시스템에서는 전력 루프 표유 인덕턴스를 최소화하는 것이 효율성 향상, 전자기 간섭(EMI) 성능 개선, 반도체 장치의 안전한 작동 보장을 위한 중요한 설계 목표가 되었습니다.

 

 

 

부유 인덕턴스는 단일 개별 부품에 의해 생성되는 매개변수가 아닙니다. 오히려 이는 전체 전류 루프의 집합적 기하학의 결과입니다. 이는 주로 도체 자체의 인덕턴스뿐만 아니라 연결 단자, 케이블, PCB 트레이스, 내부 전원 모듈 패키징 및 부스바 상호 연결 구조에서 발생합니다.

 

표준 구리 버스바 또는 배선 하네스를 사용하는 기존 전력 시스템에서는 양극 전류 경로와 음극 전류 경로 사이에 상당한 공간 분리가 있는 경우가 많으며 이로 인해 전류 루프 영역이 증가합니다. 전자기학의 원리에 따르면 루프 면적이 클수록 생성된 자기장의 범위가 넓어지고 해당 기생 인덕턴스가 높아집니다.

 

고주파 전력 전자 시스템에서 전류는 단순히 도체의 길이를 따라 흐르지 않습니다. 대신 주변 공간 전체에 복잡한 전자기장 분포를 생성합니다. 따라서 부유 인덕턴스를 줄이는 열쇠는 단지 구리 버스바의 두께를 늘리는 것뿐만 아니라 전류 경로를 최적화하여-양극 회로 루프와 음극 회로 루프를 최대한 가깝게 만들고 자기장 에너지가 저장되는 영역을 최소화하는 데 있습니다.

 

이것이 고밀도 적층 부스바가 널리 사용되는 주된 이유입니다.-

 

 

적층 버스바는 여러 층의 전도성 재료와 절연 매체를 결합하여 형성된 고성능 전력 상호 연결 구조입니다.- 일반적으로 이 제품은 구리 또는 알루미늄과 같은 전도성이 높은 재료-를 전도체 층으로 사용하며, 우수한 유전 강도와 기계적 안정성을 제공하는 절연 재료로 분리되어 있습니다. 전체 어셈블리는 핫 프레싱, 접착 본딩 또는 라미네이션과 같은 공정을 통해 통일된 구조로 접착됩니다.

 

기존의 단일층 구리 버스바와 비교할 때 적층 구조의 가장 큰 장점은 양극 전류 경로와 음극 전류 경로 간의 높은 수준의 중첩을 달성할 수 있다는 것입니다.

 

반대 방향으로 흐르는 전류가 인접한 도체를 통과할 때 전자기장 상쇄의 원리가 적용됩니다. 즉, 두 전류에 의해 생성된 자기장이 서로 반대되어 전류 루프에서 생성된 총 자속을 효과적으로 감소시켜 시스템의 등가 인덕턴스를 낮춥니다.

 

결과적으로 적층 버스바는 단순한 기계적 연결 구성 요소 그 이상입니다. 이는 전력 전자 시스템의 동적 성능에 영향을 미치는 중요한 전자기 구조입니다.

 

고전력 인버터, 에너지 저장 컨버터, 산업용 전원 공급 장비에서-낮은 인덕턴스 설계는 버스바 구조 최적화를 위한 핵심 지표가 되었습니다. 예를 들어, 특정 고속-스위칭 애플리케이션에는 신속한 응답과 낮은 손실 작동에 대한 시스템 요구 사항을 충족하기 위해 가변 주파수 드라이브(VFD)에 사용되는 것과 같은{4}}특별히 설계된 적층 버스바가-필요합니다.-

 

 

 

전자 장비의 통합 수준이 높아짐에 따라 적층 버스바는 기존 산업용 전원 공급 장치 부문을 넘어 다양한 고전력 애플리케이션 영역으로 확장되었습니다.-

 

예를 들어, 서버, 통신 장비, 데이터 센터의 전력 시스템에는 전송 손실을 최소화하기 위해 신뢰성이 높은 전력 분배 구조가 필요합니다. 따라서 적층 버스바는 슈퍼컴퓨터 회로 기판이나 백플레인과 같은 고밀도 컴퓨팅 장비-에-사용되어 고속 컴퓨팅 플랫폼에 안정적인 전력 공급을-보장합니다.

 

통신 인프라 영역에서 고전력 기지국 장비에는 컴팩트하고 효율적인 전원 연결 솔루션도 필요합니다. 적층 부스바는 셀룰러 기지국 전력 분배에서 공간 제약과 지속적인 작동 필요성을 효과적으로 충족합니다.

 

또한 대규모 전력 시스템에서는 적층 버스바가 다음과 같은 모듈식 전력 아키텍처에 활용됩니다.-배전 장치(PDU) 버스바여러 전원 모듈 간의 낮은 손실 연결을 촉진하고 전반적인 시스템 신뢰성을 향상시키는-구조입니다.-