Развенчаване на повече слоеве, по-добро погрешно схващане в ламинираните шини

С бързото развитие на новата енергетика, силова електроника и индустриална автоматизация, ламинираните шини се използват широко в системи за съхранение на енергия, инвертори, нови енергийни превозни средства, силови модули и железопътен транспорт поради тяхната ниска индуктивност, висока степен на интеграция и добра електромагнитна съвместимост. Особено при оборудване с висока-честота, висока{2}}мощност, ламинираните ниско{3}}индуктивни шини постепенно изместиха традиционните кабелни връзки, превръщайки се във важен компонент на съвременните енергийни системи.

 

Въпреки това в индустрията продължава да съществува често срещано погрешно схващане: че повече слоеве в ламинирана шина непременно означават по-добра производителност. В действителност ламинираният дизайн е систематичен инженерен проект, който изисква цялостно разглеждане на индуктивност, разсейване на топлината, структурно пространство, цена и сценарии на приложение. Няма абсолютно заключение, че „повече слоеве са равни на по-напреднали“.

 

 

 

Ламинираните шини обикновено се състоят от множество слоеве проводящи медни шини и изолационни среди, свързани заедно чрез процес на горещо-пресоване. Те са типични свързващи ленти от много-слойна композитна структура. Чрез оптимизиране на разстоянието и разположението между положителните и отрицателните клеми, паразитната индуктивност във веригата може да бъде значително намалена, подобрявайки операционната стабилност на системата. Понастоящем основните спецификации в индустрията варират главно от 2 до 6 слоя, с различни номера на слоевете, съответстващи на различните нужди на приложението:

 

Дву-слойните структури обикновено са подходящи за оборудване с ниска- до средна-мощност, като предлагат предимства като зрели производствени процеси, по-ниски разходи и лесен монтаж. Те обикновено се срещат в основни шини за разпределение на мощността, инвертори за ниско напрежение и общи промишлени системи за разпределение на енергия.

 

3-слойните структури са едно от най-широко използваните решения. Три-слойните ламинирани шини постигат по-добро разпределение на тока и електромагнитно екраниране, предлагайки висока-ценова ефективност в оборудване със средна мощност. Те се използват широко в инвертори за съхранение на енергия, UPS системи и нови модули за спомагателно управление на енергия.

 

Структури с 4 или повече слоя се използват по-често в сценарии с висока-честота, висока-мощност и сложна топология, като ламинирани шини в преобразуватели с висока мощност, IGBT ламинирани шини и широкомащабни PCS системи за съхранение на енергия. Техните основни предимства се крият в по-ниска индуктивност на разсейване, по-силни EMC възможности и по-висока системна интеграция.

 

 

 

I. Промени в електрическите характеристики

С увеличаване на броя на слоевете може да се образува по-здрава свързваща структура между положителните и отрицателните проводници, като по този начин се намалява индуктивността на разсейването. Това е особено важно за високо-честотни SiC устройства и високо-превключващи IGBT модули.

 

Персонализираните ламинирани шини за IGBT обикновено се фокусират върху оптимизирането на междинната структура на шината, за да се намалят пиковете на напрежението и EMI смущенията, генерирани по време на превключване.

 

Увеличаването на броя на слоевете обаче не означава непременно неограничено подобрение на производителността. Твърде много слоеве могат да доведат до повишен междуслоен паразитен капацитет, който, ако параметрите не са правилно съвпадащи, може да повлияе отрицателно на стабилността на системата. Следователно, когато се проектира ламинирана шина за инвертор с три-нива, параметрите на индуктивността и капацитета трябва да бъдат балансирани едновременно.

 

II. Промени в капацитета на разсейване на топлината

Многослойните структури могат да разширят пътя на топлопроводимостта и зоната на разсейване на топлината, поради което многослойните шини обикновено имат по-ниско повишаване на температурата при същите-условия на пренос на ток.

 

При сценарии с висок{0}}ток, като устойчиви на взрив-високо напрежение инверторни шини, многослойните структури могат ефективно да намалят локалните горещи точки и да подобрят дългосрочната-оперативна стабилност.

 

В същото време обаче увеличаването на броя на слоевете води и до увеличаване на общата дебелина, заемайки повече място за монтаж. Следователно при компактните устройства вътрешното оформление трябва да бъде обмислено изчерпателно.

 

III. Подобрени възможности за системна интеграция

Едно от най-големите предимства на ламинираните шини е тяхната висока степен на интеграция. В сравнение с традиционните кабелни снопове, много-слойните структури могат едновременно да интегрират множество захранващи вериги, сигнални вериги и системи за заземяване, като намаляват възлите на връзката и подобряват надеждността на системата.

 

Например:

Ламинираните шини за разпределяне на захранващи задни платки могат да се използват в сървърни и индустриални енергийни системи.

Ламинирани шини за разпределение на задната платка на рутер са подходящи за вътрешно захранване в комуникационно оборудване.

Ламинираните шини за разпределение на захранването на клетъчни базови станции се използват широко в 5G базови станции и комуникационни захранвания.

В сложни среди с кабели ламинираните шини за сложни инсталации на шини ефективно намаляват изискванията за пространство и опростяват процеса на инсталиране.

 

IV. Структурна стабилност и способност за-смущения

Много{0}}слойните структури могат да образуват по-пълна електромагнитна екранираща верига, като по този начин подобряват способността на системата за анти{1}}смущения.

 

В областта на превозните средства с нова енергия, системите за електрическо задвижване и железопътния транспорт, шините за моторни контролери и ламинираните шини за метро имат високи изисквания за ефективност на EMC. Много-слойните симетрични структури могат ефективно да намалят текущите проблеми с дисбаланса и да подобрят дългосрочната{2}}способност за стабилна работа на оборудването.

 

За железопътен транспорт и тягови системи с висока-мощност, композитната шина за електрозахранване на влакове с четири-квадрантни захранващи модули също трябва да издържа на динамични удари, да издържа на високи температури и да поддържа висока изолационна производителност.
 

 

Докато шините с по-висок{0}}слой предлагат превъзходна производителност, производствената сложност нараства съответно.

 

Дву{0}} до три-слойните продукти имат относително зрели процеси, високи нива на добив и контролируеми разходи за обработка.

 

Четири{0}}слойните и по-високи продукти поставят по-високи изисквания към контрола на дебелината на медното фолио, прецизността на ламинирането на изолацията, процесите на горещо{1}}пресоване и симетричното оформление. Това е особено вярно за специализирани структури като частично ламинирани шини, които изискват изключително висока прецизност при обработката на локална изолация и зони на проводимост.

 

Освен това много{0}}слойните структури означават:

Повишена консумация на суровини;

По-сложни процеси на ламиниране;

По-строги стандарти за тестване;

По-дълги производствени цикли.

 

Поради това решенията на висок -слой не са непременно подходящи за всички проекти.

 

 

За оборудване с малка до средна мощност с изходна мощност под 100kW обикновено са достатъчни два до три слоя. Тези сценарии включват основни приложения като общи системи за съхранение на енергия, малки UPS системи и системни шини за непрекъсваемо захранване (UPS).

 

За системи със средна{0}}до-висока мощност (100kW до 500kW), структура от 3 до 4 слоя е по-подходяща за балансиране на индуктивността, разсейването на топлината и производствените разходи.

 

За високо-мощни системи над 500 kW, високо-честотни преобразуватели на SiC и големи системи за съхранение на енергия обикновено се изисква структура от 4 до 6 слоя, за да се изпълнят изискванията за по-ниска индуктивност, по-високи възможности за ЕМС и по-силно разсейване на топлината.

 

Примерите включват:

Ламинирана шина за електрически автомобили;

Високоволтова взривозащитена{0}}инверторна шина

Широкомащабни PCS системи за{0}}акумулиране на енергия;

Честотни-преобразуватели за високо напрежение;

Нови енергийни системи за главно задвижване на превозни средства.

 

В сложни вериги, като много{0}}ниво-топологии, често е необходима структура от 3-до 5 слоя за ламинираната шина за тристепенни инвертори, за да се постигнат симетрични пътища на тока и стабилен контрол на споделянето на тока.

 

 

 

Погрешно схващане 1: Повече слоеве задължително означават по-добра производителност

В действителност броят на слоевете е единственият параметър, който влияе върху производителността.

Дебелината на медната шина, изолационният материал, оформлението на веригата, разстоянието между проводниците и прецизността на обработката влияят пряко върху крайната производителност.

Сляпото увеличаване на броя на слоевете не само увеличава разходите, но може също да повлияе на стабилността на оборудването поради промени в паразитните параметри.

 

Погрешно схващане 2: Ниско-продуктите са „ниски{2}}решения“.

Всъщност за много устройства с малка и средна мощност 2- до 3-слойните структури са най-зрелите, стабилни и рентабилни решения.

Една добре-проектирана три-слойна ламинирана шина може напълно да отговори на нуждите на повечето конвенционални индустриални приложения.

 

Погрешно схващане 3: Продукти с еднакъв брой слоеве имат еднаква производителност

Дори при еднакъв брой слоеве все още могат да съществуват значителни разлики между различните дизайни.

Например разположението на медното фолио, изолационният материал, процесът на горещо-пресоване и симетрията на проводника влияят пряко върху работата на шината.

Действителната производителност на високо{0}}качествените медни шини често е много по-добра от тази на обикновените структурни продукти.

 

 

 

С непрекъснатото развитие на SiC устройства, високо{0}}честотна инверторна технология и системи за съхранение на енергия, ламинираните шини се развиват към по-високи честоти, по-висока интеграция и по-голямо усъвършенстване.

 

В бъдеще електронните полета от висок клас, като ламинирани шини за платки или задни платки на суперкомпютри, допълнително ще стимулират развитието на шините към висока плътност, миниатюризация и персонализиране.

 

В същото време специалните дизайни на шини за нови енергийни превозни средства, силова електроника и комуникационно оборудване ще станат по-сегментирани, като индустрията ще постави по-голям акцент върху „адаптирането на приложението“, вместо просто да преследва увеличаване на броя на слоевете.

 

 

Основната стойност на ламинираните шини не се крие в „повече слоеве“, а в способността им да отговарят точно на изискванията на оборудването.

 

Разумният дизайн на слоя трябва да отчита изчерпателно:

Мощност на оборудването;

Честота на превключване;

EMC изисквания;

Капацитет на разсейване на топлината;

Място за монтаж;

Производствени разходи;

Дългосрочна{0}}оперативна стабилност.

 

Само чрез научен дизайн, базиран на действителни сценарии на приложение, могат да се постигнат предимствата на производителността наЛаминирани шини, пасивни електронни компоненти, да бъдат реално реализирани, като се постигне оптимален баланс между системна ефективност, надеждност и цена.