Приложение на ламинирани шини в задвижвания с променлива честота с високо{0}}напрежение: Технически анализ на намаляване на паразитната индуктивност и подобряване на надеждността на системата

Тъй като задвижванията с променлива честота с високо напрежение (VFD) се развиват към по-високи напрежения, по-високи токове, по-високи честоти на превключване, миниатюризация и по-висока плътност на мощността, скоростите на превключване на захранващите устройства продължават да се увеличават. Следователно структурата на взаимното свързване между DC шината и захранващите модули се превърна в критичен фактор, влияещ върху производителността на системата.

 

При условия на високо{0}}честотно превключване традиционните методи за свързване-като дискретни медни шини и кабели-са склонни да генерират значителна паразитна индуктивност. Това води до пикове на напрежението, колебания и допълнителни загуби на мощност по време на бързото превключване на захранващите устройства. Следователно ламинираните шини с ниска-индуктивност, силно интегрирани ламинирани шини все повече се превръщат в предпочитано решение за взаимно свързване за DC захранващите вериги на VFD с високо-напрежение.

 

Ламинираната шина е по същество съставна структура за взаимно свързване на захранване, образувана от редуващи се слоеве проводящ метал и изолационен материал. Проводимите слоеве обикновено използват силно проводими материали като мед или алуминий; тяхната дебелина, ширина и брой слоеве са проектирани въз основа на текущите номинални стойности, пространството за монтаж, изискванията за изолация и нуждите за управление на топлината.

 

Електрическата изолация между проводящите слоеве се постига чрез изолационни материали, а модулът се свързва заедно-чрез ламиниране, залепване или други процеси-за образуване на единна структура. В сравнение с традиционното окабеляване от точка-до-точка, основните предимства на ламинираните шини са способността им да съкращават токовите комутационни пътища и да намаляват площта на веригата и паразитните параметри чрез съседното разположение на положителни и отрицателни проводници.

 

В оборудване за преобразуване на-мощност шината служи не само за предаване на електрическа енергия, но също така действа като ключов компонент, определящ електрическите параметри на електрическата верига. От гледна точка на системната архитектура, взаимовръзките между шината и компоненти като филтърни кондензатори, силови модули и превключващи устройства влияят директно върху импеданса и динамичния отговор на комутационната верига.

 

За приложения, включващи ламинирани шини в преобразуватели с висока-мощност, постигането на структура с ниска-индуктивност изисква интегриран проектен подход, който отчита специфичната топология на мощността, разположението на компонентите и токовите пътища; простото увеличаване на дебелината на медната шина е недостатъчно за разрешаване на тези проблеми.

 

 

 

Захранващите устройства в VFD с високо-напрежение често се подлагат на бързи{1}}включване и-изключване. Когато силов полупроводник-като IGBT-се изключи, токът на натоварване трябва да се прехвърли от първоначалния си път на проводимост към веригата за свободен ход за изключително кратък период от време. Тъй като практическите силови вериги не са идеални проводници, паразитната индуктивност неизбежно съществува в различна степен в шините, свързващите клеми, проводниците на устройството и вътрешните структури на силовите модули.

 

Въз основа на фундаменталните електрически характеристики на индукторите, паразитната индуктивност генерира индуцирано напрежение, съответстващо на скоростта на промяна на тока, когато този ток претърпи значителна промяна за кратък период от време. При сценарии с висок-ток, висок-di/dt превключване, дори паразитна индуктивност в диапазона от десетки нанохенри може да причини значително преходно превишаване на напрежението. Прекомерните пикове на напрежението се наслагват върху напрежението на DC шината, подлагайки захранващите устройства на мигновено електрическо напрежение, което надвишава тяхното стабилно-работно напрежение.

 

Постоянно високите пикове на напрежението не само увеличават стреса на напрежението върху устройствата, но също така влошават загубите при превключване и електромагнитните смущения. В екстремни случаи преходните напрежения могат да надвишат капацитета на номиналното напрежение на устройството, като по този начин компрометират дълготрайността на устройството и надеждността на системата. Следователно, за задвижвания с променлива честота (VFD) с високо-напрежение, намаляването на паразитната индуктивност в силовия контур често води до по-големи ползи на ниво-система, отколкото простото потискане на пикове чрез забавяне на скоростите на превключване.

 

Традиционните подходи-като увеличаване на съпротивлението на затвора или намаляване на скоростта на превключване-могат да намалят di/dt и по този начин да смекчат преходните пикове на напрежението. Въпреки това, тези методи обикновено удължават времето за превключване и удължават периода на припокриване на напрежение-ток по време на процеса на превключване, което в крайна сметка води до увеличени загуби при превключване. Следователно намаляването на паразитната индуктивност на силовия контур чрез структурен дизайн-като същевременно се поддържат разумни скорости на превключване-е решаваща стратегия за подобряване на цялостната ефективност на високо-напреженови VFD.

 

 

Основният механизъм, чрез който ламинираните шини намаляват паразитната индуктивност, не е просто увеличаване на напречното-площ на сечението на проводника; по-скоро включва минимизиране на ефективната площ на контура чрез оптимизиране на токовите пътища и пространственото разпределение на магнитните полета. Когато положителните и отрицателните проводими слоеве са близко разположени и пренасят ток в противоположни посоки, магнитните полета, генерирани около двата проводника, ефективно се компенсират взаимно.

 

Традиционните едно{0}}слойни шини или отделни кабели обикновено изискват значително пространство за установяване на връзки между положителните и отрицателните клеми, което води до по-дълги пътища на тока и по-голямо разделение между проводниците. Това създава по-голяма площ на токовия контур и следователно по-висока паразитна индуктивност. За разлика от това, ламинираните структури позиционират положителните и отрицателните проводници възможно най-близо, принуждавайки токовете да текат в противоположни посоки по съседни пътища; това минимизира съхранението на енергия на магнитното поле и намалява индуктивността на веригата.

 

Тази структурна характеристика е накарала философията на проектиране за ламинирани шини да се развие от просто проводимо взаимно свързване към контрол на импеданса на силовия контур. За съвременното силово електронно оборудване шината вече не е просто "проводник" в механичен смисъл; той се превърна в критичен функционален компонент, който оформя електрическите характеристики на системата.

 

 

 

Колкото по-бърза е скоростта на превключване на захранващите устройства, толкова по-строги са изискванията за външни структури за взаимно свързване. В традиционните силиконови-базирани IGBT системи с относително бавни скорости на превключване, определено ниво на паразитни параметри може да не се прояви веднага като сериозен проблем. Въпреки това, с появата на високо-честотни захранващи устройства и топологии, предлагащи по-висока плътност на мощността, въздействието на паразитната индуктивност върху динамичната производителност на системата става все по-значимо.

 

За системи, използващи бързо-превключващи устройства, дизайнът на шините трябва да даде приоритет на физическото разстояние между кондензатора на DC-връзката и захранващия модул. По-голямото разстояние обикновено води до по-дълъг път на комутация на тока, което прави по-трудно контролирането на паразитната индуктивност. Следователно проектите трябва да се стремят да намалят до минимум дължината на високо-честотните комутационни вериги и стратегически да поставят отделящи кондензатори, за да гарантират, че високо-честотните токове могат да завършат веригата си по възможно най-краткия път.

 

При инверторите с три{0}}и много{1}}нива силовите вериги са по-сложни и включват множество комутационни пътища между различни крака на моста и възли на напрежение. В такива случаи шината трябва не само да отговаря на изискванията за-токопренасяне и изолация, но и да управлява несъответствията в индуктивността по различни пътища. Проектирането на ламинирани шини за три-степенни инвертори често изисква много-слойно разположение на проводниците, подравнено с топологията на веригата, за да се осигури добра геометрична симетрия между различните токови пътища.

 

Ако има прекомерно несъответствие в паразитната индуктивност между паралелни клонове, може да възникне неравномерно разпределение на тока по време на динамична работа, подлагайки определени захранващи устройства на по-висок ток и термичен стрес. Следователно проектирането на много-слойни шини трябва едновременно да се отнася до фактори като споделяне на ток, електромагнитно свързване, ограничения на монтажното пространство и управление на топлината.

 

 

Освен намаляването на паразитната индуктивност, ламинираната структура подобрява интегрирането на силовата верига. Традиционните комплекти на шини обикновено се състоят от множество отделни медни шини, свързващи проводници, изолационни компоненти и монтажен хардуер, изискващи отделни стъпки за позициониране, закрепване и електрическо свързване по време на монтажа.

 

Тъй като вътрешното пространство на оборудването става все по-ограничено, такива отделни структури са склонни да усложняват процеса на сглобяване. Ключово предимство на ламинираните шини в сложни инсталации е способността им да интегрират множество независими проводими пътеки в един унифициран монтаж. Това изяснява електрическите връзки, като същевременно намалява количеството-окабеляване на място и броя на точките за свързване.

 

Тази интегрирана структура също улеснява модулния дизайн. Когато една продуктова серия включва различни номинални мощности или монтажни размери, спецификациите на шините могат да бъдат адаптирани чрез регулиране на дебелината на проводника, ширината, броя на слоевете и позиционирането на клемите, като по този начин се подобрява структурната мащабируемост.

 

За оборудване за преобразуване на енергия със строги пространствени ограничения, много-слойните композитни структури позволяват три{1}}измерното подреждане на множество електрически възли в рамките на ограничен отпечатък. Чрез присвояване на различни потенциали или токови пътища към отделни проводящи слоеве, тези композитни шини позволяват на сложни силови вериги да постигнат по-компактна конфигурация.

 

 

Шините в задвижванията с променлива честота с високо-напрежение (VFD) трябва не само да отговарят на изискванията за ниска-индуктивност, но също така да гарантират-дългосрочна надеждност на изолацията. Тъй като нивата на системното напрежение се покачват, се изисква систематично проектиране на изолационните разстояния, електрическите хлабини, разстоянията на пълзене и диелектричната якост на изолационните материали -както между проводящите слоеве, така и между проводящите слоеве и външните метални конструкции.

 

Изолационните материали за ламинирани шини трябва да бъдат избрани въз основа на работно напрежение, температура, влажност, нива на замърсяване и механични фактори на околната среда. За приложения с високо-напрежение, съображенията се простират отвъд присъщата диелектрична якост на материала, за да включват дългосрочно-термично стареене, характеристики на абсорбиране на влага, производителност при частично разреждане и надеждност на междуслойното свързване.

 

При взискателни приложения-като шини за високо{1}}взривозащитени{2}}инвертори-изолационната структура трябва да отчита дългосрочното-въздействие на вибрациите на оборудването, термичните цикли и сложните индустриални среди. Процесът на проектиране трябва да надхвърля първоначалното издържано-напрежение, за да се осигури стабилност на изолацията по време на дългосрочна-експлоатация.

 

Значителните въздушни междини между проводниците и изолационните материали могат да доведат до локализирана концентрация на електрическо поле и повишен риск от частичен разряд при условия на високо-напрежение и бърз-пулс. Следователно, производствените процеси трябва да осигурят високо-качествено междинно свързване и да използват подходяща обработка на ръбовете и изолационно капсулиране, за да се сведе до минимум потенциалната концентрация на електрическо поле.

 

 

 

Шинопроводите в VFD с високо{0}}напрежение пренасят значителни токове за продължителни периоди, генерирайки джаулова топлина поради съпротивлението на проводника. Дизайнът на шините изисква балансиращ ток-носеща способност, резистивни загуби, разсейване на топлината и механична якост.

 

Докато традиционните дебели, тесни медни шини могат да увеличат-носещия капацитет чрез увеличаване на площта на напречното-сечение, те може да се сблъскат с ограничения по отношение на пространството, инсталацията и разсейването на топлината в компактното оборудване. Ламинираните структури обикновено използват широки, тънки проводими слоеве; това подобрява разпределението на тока чрез увеличаване на ефективната проводима ширина и улеснява термичното управление чрез подравняване с вътрешните пътища на въздушния поток на оборудването.

 

За оборудване, работещо при високи честоти, трябва да се вземе предвид и влиянието на скин-ефекта и ефекта на близост върху променливотоковото съпротивление. С увеличаването на честотата разпределението на тока в напречното-сечение на проводника става не-равномерно; следователно по-дебелата шина не е непременно по-добра. Оптималната дебелина на проводника се определя чрез цялостно отчитане на работната честота, вълните на тока, изискванията за повишаване на температурата и производствените процеси.

 

Термичното свързване между различните слоеве също трябва да бъде включено в проекта. Между проводимите слоеве, изолационните слоеве и околния въздух съществуват различни пътища за топлопроводимост. Когато е необходимо, термичните симулации могат да се използват за идентифициране на горещи точки, което позволява локализирана оптимизация в области като терминали, региони с висока плътност на тока и завои.

 

 

Ламинираните шини не се ограничават до традиционните задвижвания с променлива честота с високо-напрежение. Тъй като силовата електроника се развива към по-високи честоти и плътност на мощността, тяхното приложение се разшири, за да включва индустриални инвертори, моторни контролери, железопътен транспорт, електрически превозни средства и системи за съхранение на енергия.

 

В промишлените инвертори често се използват ламинирани шини с ниска{0}}индуктивност за скъсяване на DC вериги и намаляване на преходните напрежения при превключване, като по този начин позволяват на силовите модули да работят при по-благоприятни условия на електрически стрес. За високо-мощни, високо-честотни комутационни системи, шините с ниска-индуктивност минимизират превишаването и трептенията, създавайки превъзходна структурна основа за ефективност на системата и контрол на EMI.

 

В сектора на новите енергийни превозни средства системите за електрическо задвижване изискват по-висока плътност на мощността, по-ниско тегло и по-голяма надеждност. Ламинираните шини за електрически превозни средства трябва да отговарят на ограничения като ограничено пространство за инсталиране, пренос на висок ток, вибрации, температурни колебания и надеждност на изолацията; следователно техните структури обикновено са специално-проектирани за интегриране с моторни контролери, инвертори и DC шинни системи.

 

В системите за железопътен транспорт шините също трябва да издържат на дългосрочни-вибрации, температурни промени и високо-работно напрежение. Приоритетите при проектиране на продукти като ламинирани шини за метрото обикновено включват механичен монтаж, електрическа изолация,-токоподемност и дългосрочна-надеждност на околната среда.

 

За релсови превозни средства и системи за тягови преобразуватели, структурата на шините също трябва да бъде напълно интегрирана със захранващи модули, филтърни кондензатори и друго високо{0}}оборудване. Проектът трябва да се отнася не само до електрическите характеристики, но и до вътрешните пространствени ограничения и работната среда на превозното средство.

 

 

Дизайнът на шините за IGBT силови модули трябва да се основава на действителната комутационна верига, а не просто да възпроизвежда стандартни размери. Фактори като местоположението на клемите на захранващия модул, разположението на DC кондензатора, номиналния ток, работното напрежение и честотата на превключване влияят на крайната структура.

 

Разработването на персонализирани ламинирани шини за IGBT обикновено включва няколко етапа: анализ на електрически параметри, структурно оформление, избор на материал, дизайн на изолация, проверка на симулацията и тестване на прототип. Проектантите трябва първо да дефинират главната захранваща верига и високо-честотната комутационна верига, след което да определят относителните позиции на проводимите слоеве въз основа на текущия поток.

 

По време на фазата на структурно проектиране ненужните кръгови пътеки и свързващи възли трябва да бъдат сведени до минимум и да се поддържа геометрична симетрия в критичните вериги. За шини с висок-ток трябва да се обърне специално внимание на струпването на ток в зоните на клемите, за да се предотврати прекомерната плътност на тока, причинена от монтажни отвори, изрези или локализирани гърловини.

 

След като структурният дизайн е завършен, електромагнитната симулация се използва за изчисляване на паразитна индуктивност, плътност на тока и разпределение на магнитното поле, докато топлинната симулация анализира стабилно-покачване на температурата. -Системите с високо напрежение също изискват проверка на диелектричната якост, характеристиките на частичен разряд и екологичната надеждност.
 

 

 

Разработването на задвижвания с променлива честота с високо-напрежение доведе до непрекъснато надграждане на структурите за взаимно свързване на електроенергия. Докато традиционните дискретни медни пръти и кабели предлагат прости структури и гъвкаво производство, техните паразитни параметри и сложност на сглобяване се превърнаха в критични проблеми при системи с висока-честота, високо-напрежение и висока-мощност-плътност.

 

Ламинирани шиниосигуряват по-компактен метод за взаимно свързване за силова електроника чрез скъсяване на токовите пътища, намаляване на разстоянието между положителните и отрицателните проводници, оптимизиране на анулирането на магнитното поле и интегриране на множество проводими слоеве. Тяхната стойност се състои не само в намаляването на паразитната индуктивност, но и в подобряването на сглобяването на системата, управлението на изолацията, управлението на топлината и структурната надеждност. Тъй като устройствата за захранване с висока-честота, HVDC системите и преобразувателите с висока-мощност-плътност продължават да се развиват, проектирането на шини все повече ще дава приоритет на синергичното оптимизиране на електрическите, термичните, механичните и изолационните характеристики.

 

За различни видове оборудване, идеалният дизайн на ламинирана шина не е просто минимизиране на индуктивността; по-скоро включва цялостна оптимизация на целия захранващ контур, като същевременно се удовлетворяват изискванията за-носеща способност, изолация, разсейване на топлината, механична якост и възможност за производство.

 

От тази гледна точка, ламинираната шина еволюира от конвенционален компонент за пренос на електрическа енергия в критичен структурен елемент в силови електронни системи. Чрез ефективно управление на паразитни параметри, оптимизиране на комутационни пътища и подобряване на структурната интеграция, тези шини осигуряват съществена подкрепа за стабилната, компактна и надеждна работа на задвижвания с променлива честота с високо-напрежение и друго силно-мощно електронно оборудване.