Анализ на технологията на ламинирана шина: Ключов компонент за намаляване на разсейващата индуктивност и подобряване на надеждността на захранването в фотоволтаични-системи за съхранение

С бързото развитие на новата енергийна индустрия фотоволтаичните (PV) системи за съхранение на енергия се развиват към по-висока плътност на мощността, по-висока ефективност на преобразуване и по-голяма надеждност. Докато дизайнът на системата често дава приоритет на ефективността на фотоволтаичните модули, живота на батерията и производителността на захранващото устройство, ламинираната шина-критичен компонент, улесняващ преноса на енергия между захранващи устройства, кондензатори и захранващи модули-все повече се превръща в ключов фактор, влияещ върху цялостната производителност на системата.

 

В преобразувателите за съхранение на енергия с висока{0}}мощност, фотоволтаичните инвертори и новите системи за захранване с енергия шините не само предават ток, но също така пряко влияят върху паразитните параметри, електромагнитната съвместимост (EMC) и безопасността при работа на захранващите устройства. Тъй като високоскоростните превключващи устройства като IGBT и SiC MOSFET получават широко разпространение, проблемът с паразитната индуктивност-, присъщ на структурата на традиционните медни шини-, става все по-изявен. Ламинираните шини, характеризиращи се с ниска индуктивност, висока степен на интеграция и превъзходна електрическа производителност, се очертаха като жизненоважно решение за свързване на съвременни системи за силова електроника.

 

 

 

В новите системи за съхранение на енергия процесът на преобразуване на енергия обикновено включва множество етапи, включително батерийни пакети, DC шини, кондензатори и инверторни модули. Тъй като захранващите устройства генерират високи скорости на промяна на тока (di/dt) по време на високо-скоростно превключване, всяка паразитна индуктивност в токовия контур индуцира допълнително напрежение.

 

Съгласно принципите на електромагнитната индукция, когато захранващо устройство се изключва бързо, разсеяната индуктивност генерира преходен пик на напрежението; големината на този пик е пряко свързана с индуктивността на веригата и скоростта на промяна на тока. Ако пикът на напрежението надвиши номиналното напрежение на устройството, това може да причини повреда на пренапрежение в IGBT или SiC модули, като по този начин компрометира надеждността на системата.

 

Традиционните еднослойни-медни шини или кабелни връзки обикновено показват висока паразитна индуктивност, тъй като значителното разстояние между положителните и отрицателните клеми създава голяма зона на токова верига. За разлика от това, ламинираните шини плътно подреждат проводими слоеве с противоположни полярности, позволявайки на магнитните полета, генерирани от положителните и отрицателните токове, да се компенсират взаимно, като по този начин структурно намаляват индуктивността на веригата.

 

Следователно в високо{0}}мощното фотоволтаично оборудване за съхранение на енергия ламинираните шини вече не са просто проводящи съединители; те са критични структурни компоненти, които влияят върху стабилността на цялата енергийна система.

 

 

Ламинираните шини обикновено се състоят от множество слоеве проводящ материал и изолационни среди. Мед или алуминий с висока -проводимост се използват основно за проводниците, докато изолационните слоеве се състоят от различни инженерни изолационни материали, избрани въз основа на номинално напрежение, температурни изисквания и работна среда.

 

Концепцията на основния дизайн включва скъсяване на пътя на токовия контур и позициониране на положителните и отрицателните проводници възможно най-близо един до друг.

 

Когато два проводника, носещи ток в противоположни посоки, са подредени успоредно, получените противоположни магнитни полета ефективно отменят част от индуктивния ефект, като по този начин намаляват общия импеданс на веригата.

 

В сравнение с традиционните структури, ламинираният дизайн значително намалява разстоянието на свързване между захранващите модули и DC кондензаторите, което води до по-ниски паразитни параметри за системата. Тази структура се използва широко в-комутационно оборудване с висока честота-като ламинирани шини за задвижвания с променлива честота-ефективно отговарящо на изискванията за бърза реакция и работа с ниски-загуби.

 

В преобразувателите за съхранение на енергия конструкцията с ниска-разсеяна-индуктивност смекчава пиковете на напрежението по време на преходни процеси при превключване. Това позволява на захранващите модули да работят стабилно при по-високи честоти, намалява необходимостта от допълнителни вериги за защита и подобрява общата ефективност на системата.

 

 

 

1. Намаляване на комутационните преходни напрежения

По време на работа на високо{0}}скоростни захранващи устройства превишаването на напрежението, възникващо в момента на изключване, е основен фактор, влияещ върху надеждността. Чрез оптимизиране на токовия път, ламинираните шини намаляват площта на комутационния контур, като по този начин намаляват паразитната индуктивност.

 

За промишлени инвертори, използващи IGBT модули, шините с ниска-индуктивност ефективно контролират пиковете на превключване и увеличават границата на безопасност на устройството. Например, ламинирани шини, проектирани за компактни IGBT системи за постоянен ток, оптимизират оформлението на междинния слой, за да подобрят високо-скоростното превключване.

 

2. Подобрена равномерност на разпределението на тока

Традиционните дебели медни шини са предразположени към проблеми като натрупване на ток и локално повишаване на температурата по време на работа с висок{0}}ток. Тези проблеми се изострят в среди с висока-честота, където скин-ефектът и ефектът на близост допълнително влияят върху разпределението на тока.

 

Ламинираните шини използват много{0}}слойна структура, която позволява токът да се разпределя по-равномерно в напречното-сечение на проводника, като едновременно с това намалява локализираната топлинна концентрация. При приложения с висока-надеждност-като шини на разпределителен блок за захранване (PDU)-компонентите трябва да издържат на продължителна работа при висок-ток за дълги периоди от време; следователно равномерното разпределение на тока е от решаващо значение за дълголетието на системата.

 

3. Оптимизиране на ефективността на електромагнитната съвместимост (EMC).

Високо{0}}бързите превключващи действия в силови електронни системи генерират значителни електромагнитни смущения (EMI). Високата индуктивност на веригата увеличава скоростите на промяна на напрежението и тока (dv/dt и di/dt), което прави системата по-податлива на проводими и излъчвани смущения.

 

Чрез минимизиране на площта на токовия контур и намаляване на интензитета на излъчване на електромагнитното поле, ламинираните шини спомагат за подобряване на EMC производителността на оборудването и облекчават дизайнерското натоварване върху периферните филтри.

 

 

1. Проектиране на разстоянието между изолационните слоеве

Определянето на дебелината на изолационния слой изисква балансирано отчитане на номиналното напрежение, електрическите безопасни разстояния и изискванията за контрол на индуктивността. Прекомерната дебелина на изолацията увеличава разстоянието между проводниците, като по този начин повишава разсеяната индуктивност, докато недостатъчната дебелина може да компрометира способността за издържане на напрежение.

 

Следователно процесът на проектиране трябва да осигури подходящ баланс въз основа на номиналното напрежение на системата, работната среда и съответните стандарти за безопасност.

 

2. Избор на материал

Проводниците обикновено са направени от мед или алуминий. Медта предлага по-висока електрическа проводимост, което я прави подходяща за приложения с висока-ток-плътност, докато алуминият предлага предимство в теглото, което го прави предпочитан за приложения, изискващи леки компоненти.

 

Изолационните материали трябва да показват отлична устойчивост на топлина, диелектрична якост и дългосрочна -стабилност. Например, в ламинирани шини, използвани за телекомуникационно разпределение на енергия, дългосрочната-работна среда изисква стабилна изолационна производителност и надеждни възможности за управление на топлината.

 

3. Оптимизация на структурата на връзката

Точките на свързване между шината и компонентите, като силови модули и кондензатори, са критични възли в токовия път. Прекомерните разстояния на свързване или неоптималните структурни проекти могат да увеличат локализираната паразитна индуктивност.

 

Следователно модерните дизайни на ламинирани шини често използват интегрирано оформление за кондензатори, захранващи модули и шини, за да се минимизира дължината на високо-честотните комутационни пътища.
 

 

 

С напредъка на технологията за силова електроника обхватът на приложение на ламинираните шини се разшири от традиционно ново енергийно оборудване до широк спектър от промишлени сектори.

 

В областта на индустриалната автоматизация ламинираните шини с ниска{0}}индуктивност на IGBT фази се използват в инверторни системи с висока-мощност; тяхната структура с ниска-индуктивност подобрява ефективността на моторните задвижвания и процесите на преобразуване на енергия. В транспортния сектор високо{4}}надеждните шинни конструкции се използват в железопътния транзит, електрическото транспортно оборудване и захранващите системи за нови енергийни превозни средства; например композитни шини за електрозахранване на влакове четири-квадрантни захранващи модули отговарят на изискванията за високо-скоростно превключване и надеждна работа.

 

В областите на телекомуникациите и оборудването за данни, тъй като плътността на мощността в сървърите и комуникационните устройства нараства, се използват структури като ламинирани шини за разпределение на захранването за -монтиране в стелажи и задни платки за интернет рутери, за да се подобри използването на пространството и ефективността на разпределението на мощността.

 

Освен това ламинираните шини играят жизненоважна роля в медицинско оборудване, промишлени системи за контрол и системи за резервно захранване-като тези за устройства за тестване на медицински изображения и системи за непрекъсваемо захранване (UPS),-където те трябва да отговарят на изискванията както за стабилно захранване, така и за дългосрочна-оперативна надеждност.

 

 

С нарастващото приемане на полупроводникови устройства от трето-поколение като SiC и GaN и нарастващите честоти на превключване на силови електронни системи, има нарастващо търсене на шини, които предлагат ниска индуктивност, висока надеждност и високи нива на интеграция.

 

Бъдещата технология за ламинирани шини ще се развива в следните посоки:

Първо, по-високата интеграция е ключова тенденция. Чрез вграждане на компоненти като отделящи кондензатори, сензори и определени защитни структури директно в шината, пътищата на тока могат да бъдат съкратени, като по този начин се подобрява скоростта на реакция на системата.

 

Второ, технологиите за интелигентно наблюдение ще бъдат все по-често включени в дизайна на шините; интегрирането на функции като отчитане на температура и ток позволява-наблюдение в реално време на работното състояние.

 

В същото време производствените процеси ще продължат да напредват-като използването на усъвършенствани техники за формоване за създаване на сложни 3D структури-, позволяващи на шините да поемат все по-компактни системни оформления.

 

В сектори като високо{0}}производителни изчисления, енергийно оборудване и телекомуникационна инфраструктура, приложения като ламинирани шини за платки на суперкомпютри или задни платки и задни платки за разпределение на мощността са пример за бъдещата траектория на архитектури с висока-енергийна плътност.

 

 

 

Тъй като фотоволтаичното съхранение на енергия, новите енергийни превозни средства и системите за индустриална силова електроника се развиват към по-висока ефективност и плътност на мощността, ламинираните шини се очертаха като критични основни компоненти, които определят цялостната производителност на системата.

 

Въпреки че те не диктуват директно възможностите за преобразуване на енергия по същия начин като батериите, инверторите или захранващите модули, те осигуряват стабилна основа за предаване на енергия в цялата енергийна система чрез минимизиране на разсеяната индуктивност, оптимизиране на токовите пътища и повишаване на надеждността на системата. В бъдеще, когато новото енергийно оборудване се развива към по-високи напрежения, по-високи честоти и по-компактни конструкции,ламинирани шинище играе все по-важна роля в сектори като съхранение на енергия, системи за електрическо задвижване, промишлен контрол и телекомуникационни захранвания, превръщайки се в незаменима технология за взаимно свързване за съвременни системи за силова електроника.