Разработване и приложение на технология за ламинирани шини в енергийни системи за слънчеви-плюс-съхранение и нови енергийни превозни средства

С бързото развитие на фотоволтаичното производство на електроенергия, системите за съхранение на енергия, новите енергийни превозни средства и високо{0}}мощната силова електроника преобразувателите на мощност се развиват към по-висока плътност на мощността, по-високи честоти на превключване и по-голяма надеждност. Докато производителността на силовите полупроводникови устройства продължава да се подобрява, паразитните параметри, произтичащи от разположението на проводниците, структурите на взаимното свързване и опаковката на устройството, все повече се превръщат в критични фактори, влияещи върху цялостната производителност на системата.

 

Като ключова структура за взаимно свързване в рамките на електрическата верига, ролята на ламинираните шини се разшири отвъд простото предаване на енергия, за да обхване паразитен контрол на параметрите, управление на топлината и електромагнитна съвместимост (EMC). Особено при условия на високо-честотно превключване, структурата на шините влияе пряко върху разсеяната индуктивност на комутационния контур и превишаване на напрежението по време на превключване на захранващи устройства; следователно се превърна в жизненоважен компонент в структурния дизайн на PV-плюс-системи за съхранение и електрически задвижващи системи за нови енергийни превозни средства.

 

 

 

В традиционните ниско{0}}честотни захранващи системи шините се справят предимно с високо{1}}токово предаване, като инженерните проекти се фокусират върху номиналния ток, повишаването на температурата, разстоянието между изолацията и механичната якост. Въпреки това, приемането на мощни полупроводникови устройства-като IGBT и SiC MOSFET-с възможност за високо-превключване доведе до значително по-високи скорости на промяна на тока и напрежението. В резултат на това паразитната индуктивност, присъща на самите проводници, оказва по-изразено влияние върху процеса на превключване.

 

Когато в силовата верига съществува значителна паразитна индуктивност, бързо променящите се токове генерират преходни напрежения в индуктивността. Превишаването на напрежението може да увеличи напрежението върху захранващите устройства и да предизвика високо{1}}честотни трептения и електромагнитни смущения. Следователно намаляването на разсеяната индуктивност на комутационния контур е решаваща проектна цел за подобряване на стабилността на високо-мощните преобразуватели.

 

В структурно отношение традиционните еднослойни-медни пръти или кабелни връзки често изискват дълги токови пътища и поддържат значително разстояние между положителните и отрицателните клеми, създавайки големи контурни зони. За разлика от това, ламинираните структури минимизират разстоянието между положителните и отрицателните проводници, като сближават пътищата на тока, протичащи в противоположни посоки. Това подобрява ефекта на анулиране на магнитното поле, като по този начин намалява еквивалентната паразитна индуктивност на цялата захранваща верига.

 

Понастоящем ламинираните шини се използват широко в преобразуватели с висока{0}}мощност, инвертори, системи за преобразуване на мощност за съхранение на енергия (PCS), моторни контролери и системи за електрическо задвижване за нови енергийни превозни средства. В преобразувателите с висока-мощност ламинираните шини използват компактна, слоеста структура за скъсяване на захранващите вериги, като по този начин осигуряват по-контролируема среда за електрическо свързване за високо{3}}скоростни комутационни устройства.

 

 

Ламинираните шини обикновено се състоят от множество проводими метални слоеве и изолационни диелектрични слоеве. Проводимите слоеве могат да бъдат направени от материали като мед или алуминий, в зависимост от системните изисквания за ток, напрежение и механична структура; изолационните слоеве осигуряват електрическа изолация между слоевете, като същевременно осигуряват термична устойчивост, способност за издържане на напрежение и механична надеждност.

 

Тяхната ниска{0}}индуктивност произтича основно от тясното свързване между положителните и отрицателните проводници. Когато токове, протичащи в противоположни посоки, преминават през два проводникови слоя, получените магнитни полета също са противоположно насочени. Тъй като разстоянието между двата пътя на тока е минимално, значителна част от магнитния поток се компенсира в околното пространство, като по този начин намалява енергията на магнитното поле, съхранявана в комутационния контур.

 

Следователно, параметри като разстояние между проводниците, ефективна дължина на контура, ширина на проводника и разположение на токовия път са критични фактори при дизайна на ламинирана шина. Като цяло намаляването на дължината на веригата, минимизирането на ефективното разстояние между положителните и отрицателните проводници и оптимизирането на ширината на проводника помагат за намаляване на паразитната индуктивност.

 

Това структурно предимство прави ламинираните шини подходящи не само за стандартно предаване на енергия, но също така и за силови електронни системи, изискващи висока динамична реакция. Например, ламинираните шини с ниска-индуктивност често са структурно оптимизирани за високо-скоростни превключващи вериги, като се използват конструкции с ниска-индуктивност за смекчаване на превишаване на напрежението по време на превключване на устройството.

 

 

 

Фотоволтаичните (PV) инвертори и преобразувателите за съхранение на енергия обикновено включват множество захранващи вериги, включително страната на постоянен ток, модули за превключване на мощността, филтриращи модули и изходна страна на променлив ток. С нарастването на номиналната мощност на системата традиционното окабеляване и дискретните връзки на медни шини са изправени пред предизвикателства като прекомерни изисквания за пространство, дълги верижни пътища и сложно електромагнитно свързване.

 

В системите за съхранение на енергия изходът на постоянен ток от батерийни клъстери изисква преобразуване на мощността за интегриране в мрежата, захранване на товара или презареждане. Бързите, високи-флуктуации на тока в DC връзката поставят строги изисквания към структурата на шините. Прекомерното разстояние между захранващите модули и кондензаторите на DC връзката може да увеличи площта на комутационния контур, като по този начин повиши паразитната индуктивност.

 

Следователно, модерните преобразуватели на захранване за съхранение на енергия често използват координирано оформление за DC кондензатори, захранващи модули и шини, за да минимизират високо{0}}честотните токови пътища и да постигнат тясно свързване между положителните и отрицателните клеми чрез ламинирани проводници. За оборудване, изискващо баланс между висок токов-носещ капацитет и ефективно използване на пространството, ламинираните шини предлагат компактно, много-слойно решение за взаимно свързване.

 

При-съхранение на енергия с високо напрежение и специализирани промишлени енергийни системи, дизайнът на шините трябва също така да вземе предвид изолационния просвет, разпределението на електрическото поле, механичния монтаж и безопасността при необичайни работни условия. Следователно дизайнът не може да се фокусира единствено върху "ниска индуктивност"; вместо това трябва да се постигне рационален баланс между електрически, изолационни, термични и механични характеристики.
 

 

 

Електрическите задвижващи системи в новите енергийни превозни средства обикновено изискват високо{0}}мощни връзки между батерии, кондензатори, инвертори и моторни контролери в ограничено пространство. Тъй като напрежението на платформата на превозното средство се измества към по-високи нива, захранващите вериги все повече изискват ниска индуктивност, ниски загуби и висока интеграция.

 

В рамките на инверторите с електрическо задвижване шините трябва да се справят със значителни преходни токове, като същевременно поддържат подходящи пространствени взаимоотношения със силови модули, кондензатори за DC връзка и системи за управление. Ламинираните шини за електрически превозни средства използват много-слойни структури за скъсяване на токовите пътища и използват компактни оформления, за да увеличат максимално пространството в системите за взаимно свързване.

 

Освен това шините в новите енергийни превозни средства трябва да издържат на взискателни условия на околната среда, включително вибрации, термични цикли, механични удари и продължителни токови натоварвания. В сравнение с простите методи за окабеляване, структурираните шини улесняват стандартизираните дизайни за монтажни позиции, изолационни разстояния и интерфейси за свързване.

 

За различни нива на напрежение и функционални вериги могат да бъдат внедрени многослойни дизайни-, категоризирани по положителни/отрицателни клеми, връзки за постоянен ток, изходи за променлив ток и контролни интерфейси-, за да се подобри модулността на системата за електрическо свързване. Добре-проектираната структура на шините намалява ненужните точки на свързване и свежда до минимум пространството за сглобяване, заето от сложни кабелни снопове.

 

 

С напредъка на електрониката за високо напрежение, много{1}}степенните инвертори се използват все повече в съхранението на енергия, моторните задвижвания и индустриалните енергийни системи. В сравнение с традиционните топологии на две-нива, системите на три-нива включват по-сложни захранващи вериги и множество потенциални нива; следователно, шините трябва да управляват изискванията както за взаимно свързване, така и за изолация в множество електрически възли.

 

В случай на ламинирани шини за три{0}}степенни инвертори, множество проводящи слоеве обикновено трябва да бъдат конфигурирани според конкретната топология, за да се поддържат подходящи пространствени връзки между захранващите пътища при различни потенциали. Процесът на проектиране изисква да се вземе предвид не само-носещият капацитет на всеки проводников слой, но и паразитната индуктивност и взаимните индуктивни връзки между слоевете.

 

Структурната симетрия също е от решаващо значение за многослойните шини. Значителни несъответствия в дължините на пътищата, напречните-площи на сеченията на проводниците или точките на свързване между паралелни клонове могат да доведат до неравномерно динамично разпределение на тока между захранващите модули. При продължителна -работа този дисбаланс може да се прояви като локализирани температурни покачвания и вариации в напрежението на компонентите.

 

Следователно проектирането на многослойни шини изисква цялостен анализ, интегриращ топология на веригата, 3D пространствено оформление и електромагнитна симулация, вместо да се разчита единствено на 2D механични размери.

 

 

Изолационният материал в рамките на ламинирана шина служи не само за изолиране на слоеве, но също така влияе върху общите структурни размери, способността за издържане на напрежение, топлинните характеристики и -дългосрочната надеждност. В-системите с високо напрежение проектирането на изолацията трябва да отчита работното напрежение, преходното пренапрежение, пътя на пълзене, хлабината, температурата и условията на околната среда.

 

Докато намаляването на разстоянието между проводниковите слоеве спомага за по-ниска разсеяна индуктивност, то същевременно поставя по-големи изисквания към дизайна на изолацията. Следователно разстоянието между слоевете трябва да бъде оптимизирано въз основа на работното напрежение и свойствата на материала, вместо просто да се минимизира дебелината на изолацията.

 

За приложения, включващи високи напрежения или тежки среди, устойчивите на -експлозия-инверторни шини с високо напрежение трябва също така да се справят с потенциални рискове като необичайни къси съединения, частичен разряд, термично разширение и механичен удар. Ключови изолационни свойства-включително диелектрична якост, температурен рейтинг и дългосрочна-стабилност-трябва да бъдат проверени чрез подходящи тестове.

 

Освен това области като ръбове на проводници, отвори за болтове, съединителни клеми и преходи между слоеве са склонни към концентрация на електрическо поле; мерки като заобляне, скосяване, изолационно обвиване и структурна оптимизация са необходими за смекчаване на местния интензитет на електрическото поле.

 

 

Въпреки че ламинираните шини предлагат отлична пространствена интеграция, тяхната многослойна структура променя пътищата за пренос на топлина. По време на дългосрочна-работа с високи токове, медните шини генерират джаулова топлина, докато изолационният слой влияе на топлопроводимостта между различните проводящи слоеве.

 

Следователно проектирането на шини изисква цялостна оценка на фактори като дебелина на проводника, плътност на тока, околна температура, методи за разсейване на топлината и термичното разпределение на съседни компоненти на мощността. За високо{1}}мощно оборудване термичните симулации или тестовете-за повишаване на действителната температура са от съществено значение за проверка на разпределението на температурата в различни зони.

 

Прекомерната локална плътност на тока може да доведе до значителни горещи точки. Следователно ширината на проводника и точките на свързване трябва да бъдат оптимизирани, за да се осигури равномерно разпределение на тока, предотвратявайки значително струпване на ток при болтови връзки, завои на клеми и зони с изрези.

 

 

Тъй като нивото на интеграция на силовото електронно оборудване се увеличава, разчитането на напълно стандартизирани размери на шините става все по-трудно. Съществуват значителни вариации в оборудването по отношение на захранващи модули, DC кондензатори, място за инсталиране и местоположения на интерфейса; по този начин шините обикновено са проектирани да отговарят на специфични топологии на веригата и механични ограничения.

 

Персонализираният дизайн надхвърля просто регулиране на дължина или ширина; той обхваща множество аспекти, включително броя на проводниковите слоеве, дебелината на медта, изолационните материали, типовете клеми, местата на монтажните отвори и конфигурациите на огъване. „Персонализираната ламинирана шина за IGBT“ представлява типичен дизайнерски подход, при който структурата е пригодена да съответства на специфични интерфейси на захранващ модул и системни оформления.

 

В практическото инженерство разработването на персонализирани шини обикновено включва няколко етапа: проверка на електрическа схема, 3D структурен дизайн, електромагнитна симулация, термичен анализ, производство на прототип и тестване/валидиране. Този процес позволява ранно откриване на потенциални проблеми-като физически смущения, прекомерно повишаване на температурата, проблеми с индуктивността или повреди на изолацията-преди масовото производство.

 

 

Отвъд секторите на новите енергийни и промишлени преобразуватели, ламинираните шини все повече се използват в телекомуникационни захранвания, сървъри, центрове за данни и системи за захранване с висока -плътност. Тъй като плътността на мощността на изчислителното оборудване нараства, традиционното окабеляване и методите за разпределена връзка са изправени пред нарастващи предизвикателства по отношение на използването на пространството и ефективността на текущото разпределение.

 

В архитектури с висока -плътност на захранването, много-слойните композитни свързващи ленти позволяват интегрирането на множество потенциални слоеве в компактна структура, улеснявайки централизирано разпределение на захранването между различни възли в съответствие с топологията на системата. Центровете за данни и телекомуникационното оборудване обикновено изискват висока надеждност за непрекъсната работа; следователно дизайнът на шините трябва да се отнася не само до текущата-носеща способност, но и до повишаване на температурата, изолация, достъп за поддръжка и механична надеждност. Компактните ламинирани конфигурации на свързване спомагат за минимизиране на сложното окабеляване и подобряват организацията на захранващите връзки в шкафовете на оборудването.

 

 

Железопътните транзитни системи се характеризират с високи изисквания за мощност, необходимост от висока надеждност и сложни работни среди. Енергийните компоненти в тяговите преобразуватели трябва да работят при условия, включващи чести цикли на стартиране-стопиране и променливи натоварвания; следователно структурите за захранване трябва едновременно да отговарят на изискванията за ниска индуктивност, висок токов капацитет и механична надеждност.

 

Ламинираните шини са подходящи за компактни захранващи връзки в оборудване за преобразуване на енергия за железопътен транспорт; оптимизираните оформления скъсяват електрическите вериги и намаляват пространството, свързано с традиционните кабелни връзки.

 

В оборудване като промишлени задвижвания с променлива честота (VFD), моторни контролери и непрекъсваеми захранващи устройства (UPS), шините улесняват предаването на DC-страни на мощността и взаимното свързване на превключващите компоненти. Тъй като плътността на мощността на оборудването се увеличава, шините се развиват от прости проводими компоненти във функционални структурни елементи, които са неразделна част от цялостния електрически, термичен и механичен дизайн на системата.

 

 

 

С по-широкото{0}}приемане на широколентови полупроводници-като SiC и GaN-, скоростите на превключване и работните честоти на захранващите устройства ще продължат да растат. Следователно, структурите за захранване ще трябва да показват по-ниски паразитни параметри и превъзходни високо-честотни характеристики.

 

Ключова бъдеща насока за технологията на ламинираните шини е по-нататъшното скъсяване на захранващите вериги и по-дълбокото интегриране на кондензатори, сензори и други функционални елементи директно в модула на шините. Съв-проектирането на аспекти на структурно, електрическо и термично управление дава възможност за по-нататъшно увеличаване на плътността на мощността на цялата система за преобразуване на енергия.

 

Едновременно с това производството на шини все повече ще разчита на дигитален дизайн и валидиране-базирано на симулация. Техники като 3D електромагнитна симулация, термична симулация и механичен анализ на крайните елементи (FEA) позволяват прогнозиране на ключови показатели за ефективност преди прототипиране, като по този начин намаляват разходите, свързани с итеративни модификации на дизайна.

 

По отношение на обхвата на приложение,ламинирани шинище продължи да се разширява в сектори като нови енергийни превозни средства, съхранение на енергия, промишлени задвижвания с променлива честота, железопътен транспорт, центрове за данни и високо-мощни захранвания. Тяхното основно предложение за стойност ще се измести от обикновена високо-токова свързаност към ниски паразитни параметри, висока интеграция, висока надеждност и решения за свързване на захранване-на системно ниво. Като цяло, въпреки че ламинираните шини са основни свързващи компоненти в силови електронни системи, техният структурен дизайн влияе пряко върху производителността на превключването на захранващите устройства, EMI на системата, управлението на топлината и дългосрочната-оперативна надеждност.

 

За оборудване с висока-мощност, висока-честота и високо{2}}напрежение проектирането на шини се превърна в критична пресечна точка между електрическото и структурното инженерство. Тъй като новото енергийно и-силово електронно оборудване от висок клас продължава да се развива към по-висока плътност на мощността, шинните технологии, фокусирани върху ниска индуктивност, високонадеждна изолация, равномерно разпределение на тока и модулна интеграция, ще се превърнат в ключови области за оптимизиране на системите за взаимно свързване на електроенергия в следващия етап на развитие.