CN107769748B - 具有频率依赖电阻的电流导体结构 - Google Patents

具有频率依赖电阻的电流导体结构 Download PDF

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Abstract

本公开内容描述了具有频率依赖电阻的电流导体结构。电流导体结构包括并联连接的第一电流导体和第二电流导体。第一电流导体和第二电流导体被配置成使得第二电流导体具有比第一导体高的电阻和低的电感，使得在设定频率限值以上，电流导体结构的总阻抗的电阻分量大于第一电流路径的阻抗的电阻分量。

Description

具有频率依赖电阻的电流导体结构
技术领域
本公开内容涉及高频电发射，特别是涉及在功率转换器中对这样的发射的抑制。
背景技术
功率电子转换器的额定功率可以例如从几百瓦特到几百万瓦特变化。该功率可以在频率为几赫兹到几百赫兹的范围内传输。功率电子转换器可以使用硬开关半导体来开关电流和电压。因此，半导体可以是除了用于传输功率的那些频率以外的频率处的宽带宽的电压和电流的的源。与转换器的额定功率相比，这些高频电流和电压中的电磁能可能较小，但是电流和电压仍然可能对电环境或转换器本身有害。在频率转换器中，例如，振荡的高频电流可能引起转换器的部件中的额外的损耗，高频电压可能会对部件产生额外的压力并且使部件过早老化，特别是在频率转换器的开关部件的换向电路中。
在涵盖频率转换器的EMC标准中，发射可以分为传导发射和辐射发射。EMC标准可以将传导发射的限值置于设定频率范围内，例如从150kHz至30MHz的范围内。类似地，可以将辐射发射的限值置于设定频率范围内，例如从30MHz至1GHz的范围内。由频率转换器产生的有害的高频内容可以是传导发射和辐射发射的形式。
通常有两种减轻高频发射的基本方法：减少源处的高频分量的幅值，以及通过将高频发射传导到在其中高频发射被耗散成功率损耗的部件或结构中以阻止高频发射进入环境。
减轻转换器中快速开关的影响的方法是类似的。可以通过减慢开关部件来降低电压和电流的变化速率。可替选地或者另外，可以使用电阻部件来抑制振荡的高频电流。
频率转换器的开关部件可能对转换器的功率损耗影响最大。因此，减慢它们可能引起高的额外的功率损耗，从而对转换器的总效率具有显著的负面影响。此外，即使对诸如IGBT等的有源开关进行专用栅极控制，也可能无法选择性地控制额外损耗的频率内容。例如，在由给定的电压、电流和温度限定的给定工作点处下，现代IGBT的导通速度可以被很好地控制，但是开关速度在不同的工作点可能是不同的。此外，关断时的电压的变化速率可能由IGBT器件的设计和工作点直接设定，因此可能是不可控的。
并联滤波和串联滤波都可以用于抑制振荡电流。滤波通常被实现为由诸如电感器、电容器和电阻器等的无源部件制成的滤波电路。这些部件可能会增加转换器的成本和尺寸。此外，在串联滤波的情况下，例如，电感和电阻都可能由于导体和磁性部件的芯中的电压降和损耗而对基频的功率流的效率具有负面影响。将电阻器放置于换向电路中也可能增加电路的电感，这又可能引起较高的过压尖峰，该过压尖峰可能会在转换器内部以及转换器外部时部件受到压力。
发明内容
本公开内容的目的是提供电流导体结构，以便减轻上述缺点。本发明的目的通过一种电流导体结构及其制造方法来实现，其特征在独立权利要求中陈述。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。
为了抑制不期望的高频发射，可以使用具有两个或更多个并联电流路径的电流导体结构。每个电流路径可以具有专门选择的不同的环路电感和电阻值，以在高频下产生较高的电阻水平。
根据本公开内容的电流导体结构的并联电流路径可以被实现为环路结构。电流导体结构可以是由绝缘材料的层制成的层压结构的形式。电流路径可以是在层之间和层之上走线的导电材料的薄条的形式。例如，薄条可以被实现为金属箔条。每个导体可以使用不同的材料。这使得能够制定具有宽范围的期望电阻和限值频率的电流导体结构。根据本公开内容的电流导体结构可以集成到主电流环路或换向环路中，而对用于传递功率的较低频率处的功率损耗具有最小的负面影响。根据本公开内容的电流导体结构也可以用于选择性的并联滤波。
利用根据本公开内容的电流导体结构，频率依赖损耗可以被添加到电流路径，以便抑制在传导发射和辐射发射的频率范围内(以及例如在承载电流(bearing current)的频率范围内)的振荡，而不增加电流路径中的无源部件的数量。频率依赖电阻可以被添加到主电路和换向路径中，而不增加电感。根据本公开内容的电流导体结构可以集成到主电路的各个位置，例如，直流总线、换向电路、输入输出总线。因此，该结构可以用于在整个主电路中分配附加的高频抑制。电流导体结构也可以用作并联滤波的一部分，而不是使用单独的无源部件。
附图说明
在下文中，将参照附图借助优选实施方式更详细地描述本发明，在附图中，
图1示出了根据本公开内容的电流导体结构的示例性示意图；
图2a和图2b示出了作为频率的函数的并联电流路径的阻抗的示例性简化图；
图3a至图3c示出了根据本公开内容的电流导体结构的实施方式的简化示例；以及
图4a和图4b示出了被实现为层压结构中的薄导体箔的并联电流路径的阻抗的示例性简化图。
具体实施方式
本公开内容描述了具有频率依赖电阻的电流导体结构。电流导体结构可以例如是功率电子转换器的主电路中的汇流条的形式。例如，功率电子转换器可以是频率转换器。
电流导体结构至少包括并联连接的第一电流路径和第二电流路径。第一电流路径和第二电流路径被配置成使得第二电流路径具有比第一电流路径高的电阻和低的电感。因此，在高于设定频率限值的频率处，电流导体结构的总阻抗的电阻分量大于第一电流路径的阻抗的电阻分量。通过电阻的电流将功率耗散成热量。因此，通过耗散，电流导体结构选择性地抑制高于设定频率限值的频率处的电流。电流导体结构可以用于功率电子器件中的各个位置。例如，电流导体结构可以集成到功率转换器的主电流环路或换向环路中，而在传递功率的那些频率处产生最小的损耗影响。电流导体结构也可以用于选择性的并联滤波。由电流导体结构提供的可调节高频抑制可以集成到转换器的主电路，而不会对较低频率处的损耗产生显著影响。
图1示出了根据本公开内容的电流导体结构的示例图。在图1中，电流导体结构10包括并联连接的第一电流路径和第二电流路径。第一电流路径由第一阻抗Z1表示，第二电流路径由第二阻抗Z2表示。第一阻抗Z1和第二阻抗Z2一起形成电流导体结构10的总阻抗Ztot。
阻抗Z1和Z2每个包括两个分量：电阻分量R(即电阻)和电抗分量X(即电抗)。这些分量彼此之间具有90度的相移。根据本公开内容的电流导体结构中的电抗是感性的，因此电抗超前于电阻。这样的阻抗可以定义为如下的复数，例如：
Z＝R+jX＝R+jωL， (1)
其中ωL表示电抗分量的幅值。L表示电流路径的电感，ω表示角频率。
电抗分量响应于频率而变化，而电阻分量理想地保持不变。在电流路径的电抗低的低频处，第一电流路径的第一阻抗Z1低于第二电流路径的第二阻抗Z2，因为第二电流路径具有较高的电阻。然而，随着频率ω增加，由于第一电流路径具有较高的电感，所以第一电流路径的电抗X1比第二电流路径的电抗X2上升得更快。因此，在设定限值频率处，第一阻抗Z1的幅值|Z1|达到(然后超过)第二阻抗Z2的幅值|Z2|。
基于第一电流路径和第二电流路径的阻抗Z1和Z2，总阻抗Ztot可以如下计算，例如：
Figure BDA0001365451080000041
用等式(2)计算的总阻抗Ztot的品质因数(即电抗与电阻比)介于第一电流路径和第二电流路径的阻抗的品质因数之间。第一电流路径和第二电流路径可以被配置成使得在低频时第一阻抗Z1远低于第二阻抗Z2。因此，等式(2)中的除数由第二阻抗Z2确定，并且除法的结果更接近于第一阻抗。然而，在高于设定限值频率的较高频率处，第一阻抗Z1高于第二阻抗Z2，并且等式(2)的结果更接近于第二阻抗Z2。
图2a和图2b示出了作为频率的函数的并联电流路径的阻抗的示例性简化图。在图2a中，以对数刻度示出阻抗Z1、Z2和Ztot的幅值|Z1|、|Z2|和|Ztot|。第一电流路径的第一阻抗Z1由实线表示，第二电流路径的第二阻抗Z2由虚线表示，并联连接的两个电流连接器的总阻抗Ztot由点线表示。在图2b中，利用相对应的线图案，将阻抗Z1、Z2和Ztot的各自的电阻分量R1、R2和Rtot用相应的线图案示出为频率的函数。在图2a和图2b中，第一电流路径具有比第二电流路径小的电阻但是高的电感。第一路径具有3mΩ的第一电阻R1和12.4nH的第一电感L1，而第二路径具有0.85Ω的第二电阻R2和9.14nH的第二电感L2。
在图2a和图2b的较低频率处，第一阻抗Z1的幅值低于第二阻抗Z2的幅值，因此第一阻抗确定总阻抗Ztot的特性。总阻抗Ztot的电阻分量Rtot保持接近第一阻抗Z1的电阻分量R1。然而，随着图2a和图2b中的频率增加，第一阻抗在10MHz与20MHz之间的限值频率处达到第二阻抗Z2，然后超过第二阻抗Z2。其结果是，第一阻抗Z1的幅值低于第二阻抗Z2的幅值。因此，现在第二阻抗Z2确定总阻抗Ztot的特性，并且总阻抗Ztot的电阻分量Rtot上升为接近第二阻抗Z2的电阻分量R2。
可以通过选择第一电流路径和第二电流路径的电阻和电感来控制第二电流路径变得占主导地位的频率(即，第二电流路径的阻抗的幅值低于第一电流路径)。因此，可以设定在(由总阻抗的电阻分量引起的)耗散功率损耗增加的限值频率。例如，该限值可以表示在高于该频率的频率上，不期望的发射和振荡将被抑制。
根据本公开内容的电流导体结构可以被实现为使得第一电流路径和第二电流路径被实现为支撑用层压结构上的导电条。
例如，根据本公开内容的电流导体结构可以包括形成支撑用层压结构的一层或多层绝缘材料，以及用作第一电流路径的第一导电条。第一导电条可以被布置成形成第一感应环路，该第一感应环路在平行于层压结构的平面的第一方向和垂直于层压结构的平面的第二方向上延伸。电流导体结构还可以包括用作第二电流路径的第二导电条，其中第二导电条被布置成形成第二感应环路，该第二感应环路在所述第一方向和所述第二方向上延伸。第一感应环路和第二感应环路在第一方向和第二方向上的尺寸限定了第一感应环路和第二感应环路的环路面积。可以选择尺寸使得第一感应环路的环路面积大于第二感应环路的环路面积。
通过层压结构，例如电流导体结构可以容易地集成到功率转换器的直流汇流条中，以便在换向环路噪声降低中实现超高频阻抗。根据本公开内容的电流导体结构的另外的益处是在较高频率处的降低的电感，这降低了在功率转换器的主电路换向环路中的峰值电压水平。
图3a至图3b示出了根据本公开内容的电流导体结构的实施方式的简化示例。在图3a中，示出了电流导体结构的透视图。电流导体结构包括在包括多个层的支撑用层压结构33上的第一导电条30(其用作第一电流路径)和第二导电条32(其用作第二电流路径)。图3a还示出了两个垂直的轴w和l。层压结构33及其层的宽度可以沿着轴w定义，而层压结构33及其层的长度可以沿着轴1定义。轴w和l一起限定了层压结构33的平面。图3b示出了垂直于宽度轴w的简化横截面。图3c示出了垂直于长度轴l的简化横截面。
图3a至图3c中的层压结构33包括三个层34、36和38。层34、36和38中的每一个可以由绝缘材料制成。这些层可以由相同的材料或不同的材料制成。这些层可以具有相同的厚度或不同的厚度。
第一导电条30和第二导电条32都分别在层压结构33的第一端上具有它们的第一端30a和32a。第一导电条30和第二导电条32平行于长度轴l(即在第一方向上)朝向层压结构33的第二端延伸。在第二端，第一导电条30和第二导电条32分别形成折叠30c和32c。在折叠处，导电条沿层压结构33的厚度h的方向(即在垂直于层压结构的平面的第二方向上)延伸。在折叠之后，第一导电条30和第二导电条32延伸回层压结构33的第一端，最终分别终止于第二端30b和32b。折叠之前的导电条30和32的部分可以与折叠之后的部分在不同的平面(平行于层压结构的平面)上延伸。以这种方式，第一导电条30和第二导电条32分别形成第一感应环路和第二感应环路。图3a和图3c示出了第一端30a和32a以及第二端30b和32b沿宽度轴w彼此之间具有一定距离。这增加了第一感应环路和第二感应环路的环路面积。
尽管在图3a至图3c中未示出，但是第一导电条30和第二导电条32并联连接。第一导电条30的第一端30a可以连接至第二导电条32的第一端32a，并且第一导电条30的第二端30b可以连接至第二导电条32的第二端32b。端之间的电流连接可以例如通过压接、焊接或软焊来产生。
在根据本公开内容的电流导体结构中，第二电流路径(例如，图3a至图3c中的第二导电条32)具有比第一路径(例如，图3a至图3c中的第一导电条30)低的电感。电流路径的电感响应于由路径形成的环路面积。可以以许多方式实现环路面积的差异。例如，如果第二导电条围绕支撑用层压结构的一层或多层以形成第二感应环路，则第一导电条可以比第一导电条多围绕支撑用层压结构的一个层以形成第一感应环路。还可以通过控制层压结构的层的厚度来控制感应环路的面积。可替选地或者另外，第二导电条可以在第一方向上较少地延伸。这也减小了环路面积。
在图3a至图3c中，第一感应环路的环路面积大于第二感应环路的环路面积。第二感应环路被布置在第一感应环路内，使得第一环路的高度h1(在垂直于层压结构33的平面的方向上)高于第二环路的高度h2。此外，第一感应环路的长度l1(在长度轴l的方向上)长于第二感应环路的长度l2。
根据本公开内容，第二电流路径(例如图3a至图3c中的第二导电条32)具有比第一路径(例如图3a至图3c中的第一导电条30)高的电阻。可以以各种方式控制路径的电阻。例如，第二导电条可以由与第一导电条不同的材料制成。例如，第一电流路径可以由铜箔制成，并且第二电流路径可以由铝箔制成。可替选地或者另外，第二导电条可以具有与第一导电条不同的宽度和/或厚度。在图3c示出的横截面中，第一导电条30的宽度w1大于第二导电条32的宽度w2。调节导电条的宽度和/或导电条的端的位置的也可以对各自的感应环路的电感产生影响。例如，使条变宽可能会由于环路面积会变小而降低由该条形成的环路的电感。可以通过控制条的第一端和第二端之间的距离来调节由根据本公开内容的导电条形成的感应环路的电感。因此，有许多不同的手段来优化环路的电阻部件和电感部件。
如果在电流导体结构中使用薄导体箔，则可以将与涡流相关的趋肤效应保持最小。图4a和图4b示出了实现为层压结构中的薄导体箔的并联电流路径的阻抗示例性简化图。在图4a中，示出了阻抗Z1、Z2和Ztot的幅值。第一电流路径的第一阻抗Z1由实线表示，第二电流路径的第二阻抗Z2由虚线表示，并联连接的两个电流连接器的总阻抗Ztot由点线表示。在图4b中，利用相对应的线图案，将阻抗Z1、Z2和Ztot的各自的电阻分量R1、R2和Rtot示出为频率的函数。在图4a和图4b中，第一电流路径具有比第二电流路径小的电阻但是高的电感。在图4b中可以清楚地看出趋肤效应。它使电阻R1和R2响应于频率而增加。然而，也可以清楚地看出，根据本公开结构的电流导体结构在高频中增加的总电阻分量Rtot高于单独的趋肤效应增加的总电阻分量。
根据本公开内容的电流导体结构的阻抗特性可以用无源电气部件来调节。第一电流路径和/或第二电流路径可以包括无源部件。例如，无源部件可以与第一电流导电条并联连接并且/或者与第二电流导电条并联连接。在图3a和图3b中，例如，无源部件可以在第一导电条30的折叠30c处与第一导电条30并联连接。也可以将无源部件连接在第一导电条与第二导电条之间，以便调节电流导体结构的阻抗特性。
此外，导电条可以各自包括由电气部件连接的分离的部分，而不是使用根据本公开内容的用于第一电流路径和第二电流路径的连续导电条。例如，类似于图3a至图3c的实施方式，电流导体结构可以包括形成支撑用层压结构的一层或多层绝缘材料。然而，电流导体结构可以包括第一导电条的第一部分和第二部分，而不是连续的第一导电条。电流导体结构可以包括将第一部分与第二部分电耦接在一起的第一无源电气部件。在图3a和图3b中，例如，电流导体结构可以包括无源电气部件而不是折叠30c。第一部分和第二部分可以被布置成在平行于层压结构的平面的不同平面上延伸。第一部分、第二部分和第一无源电气部件可以被布置成用作第一电流路径并且形成第一感应环路，该第一感应环路在平行于层压结构的平面的第一方向和垂直于层压结构的平面的第二方向上延伸。此外，类似于第一导电条，电流导体结构可以包括第二导电条的第一部分和第二部分以及将第二导电条的第一部分与第二部分电耦接在一起的第二无源电气部件。第二导电条的第一部分和第二部分可以被布置成在平行于层压结构的平面的不同平面上延伸。第一部分、第二部分和无源电气部件可以被布置成用作第二电流路径并且形成第二感应环路，该第二感应环路在所述第一方向和所述第二方向上延伸。
无源电气部件可以例如是电阻器或电容器。通过选择合适的部件值，可以调节第一电流路径和第二电流路径的阻抗。除了使用专门用于电流导体结构的无源部件之外，还可以利用具有其它功能的无源部件。例如，还可以使用功率电子转换器中的直流链路的电容器来调节电流导体结构的阻抗。在本公开内容的上下文中，术语“无源部件”或“无源电气部件”可以是一个分立的无源电气部件或者是串联连接和/或并联连接的多个分立的无源部件。
存在许多制造用于根据本公开内容的电流导体结构的层压结构的方式。例如可以使用印刷电路板制造工艺。在一个实施方式中，第一导电条和第二导电条可以是自粘合带的形式，每个自粘合带围绕支撑用层压结构的一层或多层折叠。制造具有频率依赖电阻的电流导体结构可以包括将导电条围绕绝缘材料的第一层折叠以形成感应环路。其结果是，条在第一层的一个表面上延伸，然后在层的一端折叠，并且在第一层的另一个表面上延伸回来。可以将绝缘材料的至少一个第二层附接至第一层以形成层压结构，并且可以将另一导电条围绕层压结构折叠。然后两个导电条可以并联连接。可以通过使用上述原理来配置两个导电条。两个导电条中的一个可以具有比另一导电条高的电阻和低的电感，使得在高于设定频率限值的频率处，电流导体结构的总阻抗的电阻分量大于所述另一导电条的阻抗的电阻分量。
对于本领域技术人员明显的是，随着技术的进步，可以以各种方式实现本发明的构思。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (11)

1.一种具有频率依赖电阻的电流导体结构，所述电流导体结构包括：
第一电流路径；以及
第二电流路径，
其中，所述第一电流路径和所述第二电流路径并联连接，
其中，所述第二电流路径被配置成具有比所述第一电流路径高的电阻和低的电感，使得在设定频率限值以上，所述电流导体结构的总阻抗的电阻分量大于所述第一电流路径的阻抗的电阻分量，并且
其中，所述电流导体结构包括：
形成支撑用层压结构的一层或多层绝缘材料；以及
a)：
用作所述第一电流路径的第一导电条，其中，所述第一导电条被布置成形成第一感应环路，所述第一感应环路在平行于所述层压结构的平面的第一方向和垂直于所述层压结构的平面的第二方向上延伸；以及
用作所述第二电流路径的第二导电条，其中，所述第二导电条被布置成形成第二感应环路，所述第二感应环路在所述第一方向和所述第二方向上延伸，
其中，所述第一感应环路和所述第二感应环路在所述第一方向和所述第二方向上的尺寸限定了所述第一感应环路和所述第二感应环路的环路面积，并且其中，所述第一感应环路的环路面积大于所述第二感应环路的环路面积，
或者
b)：
第一导电条的第一部分和第二部分；以及
将所述第一导电条的第一部分和第二部分电耦接在一起的第一无源电气部件，
其中，所述第一导电条的第一部分、所述第一导电条的第二部分和所述第一无源电气部件被布置成用作所述第一电流路径并且形成第一感应环路，所述第一感应环路在第一方向和第二方向上延伸。
2.根据权利要求1所述的电流导体结构，其中，按照替选a)，
所述第二导电条围绕所述支撑用层压结构的一层或多层折叠，以形成所述第二感应环路，以及
所述第一导电条比所述第一导电条多围绕所述支撑用层压结构的至少一层折叠，以形成所述第一感应环路。
3.根据权利要求1所述的电流导体结构，其中，按照替选a)，所述第二感应环路被布置在所述第一感应环路内部。
4.根据权利要求2所述的电流导体结构，其中，按照替选a)，所述第二感应环路被布置在所述第一感应环路内部。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电流导体结构，其中，按照替选a)，所述第二导电条由与所述第一导电条不同的材料制成。
6.根据权利要求5所述的电流导体结构，其中，按照替选a)，所述第一电流路径由铜箔制成，并且所述第二电流路径由铝箔制成。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的电流导体结构，其中，按照替选a)，所述第二导电条具有与所述第一导电条不同的宽度和/或厚度。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的电流导体结构，其中，按照替选a)，所述第一导电条和所述第二导电条是自粘合带的形式，每个自粘合带围绕所述支撑用层压结构的一层或多层折叠。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的电流导体结构，其中，按照替选a)，所述第一电流路径和/或所述第二电流路径包括无源电气部件。
10.根据权利要求1所述的电流导体结构，其中，按照替选b)，所述电流导体结构包括：
第二导电条的第一部分和第二部分，以及
将所述第二导电条的第一部分和第二部分电耦接在一起的第二无源电气部件，
其中，所述第二导电条的第一部分、所述第二导电条的第二部分和所述无源电气部件被布置成用作所述第二电流路径并且形成第二感应环路，所述第二感应环路在所述层压结构的平面的第一方向和垂直于所述层压结构的平面的第二方向上延伸。
11.一种用于制造具有频率依赖电阻的电流导体结构的方法，所述方法包括：
将导电条围绕绝缘材料的第一层折叠以形成感应环路；
将缘材料层的至少一个第二层附接至所述第一层以形成层压结构；
将另一个导电条围绕所述层压结构折叠；以及
将两个导电条并联连接，
其中，所述两个导电条中的一个具有比另一导电条高的电阻和低的电感，使得在设定频率限值以上，所述电流导体结构的总阻抗的电阻分量大于所述另一导电条的阻抗的电阻分量。
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