Ламинираните шини в фотоволтаични-плюс-съхранение и-мощни електронни системи: Тенденции в дизайна с ниска разсейваща индуктивност и надеждност

Тъй като силовите електронни системи-като тези за фотоволтаично генериране на енергия, инвертори за съхранение на енергия, електрически превозни средства и железопътен транспорт-се развиват към по-висока плътност на мощността и по-високи честоти на превключване, скоростите на превключване на захранващите устройства се увеличиха. Следователно влиянието на вътрешните паразитни параметри върху оперативната ефективност става все по-значимо. На този фон ламинираните шини са еволюирали от прости съединители за предаване на енергия в критични структурни компоненти, които влияят върху индуктивността на силовия контур, превишаването на напрежението, термичното управление и електромагнитната съвместимост (EMC).

 

В традиционните силови преобразуватели шините служат предимно за предаване на постоянен ток и осигуряват електрически връзки между различни захранващи блокове. Въпреки това, когато системите използват високо{1}}скоростни захранващи устройства като IGBT, SiC MOSFET или GaN устройства, високите di/dt и dv/dt, генерирани по време на преходни процеси на превключване, усилват ефектите на паразитните параметри в захранващия контур. Ако структурата на шината е лошо проектирана, значителната разсеяна индуктивност на веригата може да доведе до ясно изразено превишаване на напрежението и високо-честотно колебание по време на превключване; това увеличава напрежението върху устройствата и поставя допълнителни изисквания към системния контрол на EMI.

 

Следователно, в оборудването за преобразуване с висока-мощност, изборът на шина вече не може да се основава единствено на текущия-носещ капацитет; фактори като електрическа топология, зона на веригата, изолация на междинния слой, топлопроводимост, механичен монтаж и високо{2}}честотно разпределение на тока също трябва да бъдат взети предвид. Структурите с ниска-индуктивност се превърнаха в ключов фокус при проектирането на взаимно свързване на мощността, особено за приложения с високо-скоростно превключване.
 

 

 

Ламинираните шини обикновено се образуват чрез подреждане, позициониране и ламиниране на две или повече проводими метални пластини с изолационни диелектрични слоеве в специфична конфигурация. Обичайните материали за проводници включват мед и медни сплави, въпреки че могат да се използват материали като алуминий в зависимост от теглото, цената и изискванията-за пренос на ток. Междуслойните изолационни материали трябва да отговарят на строги изисквания по отношение на диелектрична якост, температурна устойчивост, механична стабилност и дългосрочна-надеждност.

 

В сравнение с традиционните дискретни медни шини, основното предимство на ламинираната структура е нейната способност да позиционира проводими пътища с противоположна полярност или различни потенциали в близост. Когато токове, протичащи в противоположни посоки, преминават през съседни проводници, техните съответни магнитни полета частично се компенсират взаимно, като по този начин намаляват ефективната енергия на магнитното поле и паразитната индуктивност на комутационната верига.

 

За високо{0}}мощни преобразуватели тази структура е особено-подходяща за минимизиране на текущия комутационен път между DC шината и захранващите модули. С подходящ дизайн шината не само улеснява високо-токовото предаване, но също така намалява площта на високо-честотната комутационна верига на структурно ниво, като по този начин създава по-стабилни работни условия за високо-скоростни захранващи устройства.

 

Броят на слоевете на шините варира в зависимост от топологията на веригата. Например дву-преобразувателят може да използва дву-слоева структура (положителни и отрицателни полюси), докато много-преобразувателят може да изисква допълнителни слоеве-като неутрална точка или други потенциални нива-, което води до много-слойна конфигурация като три-слойна ламинирана шина. Тъй като броят на слоевете се увеличава, въпросите относно електрическата изолация, свързването на паразитни параметри и термичното управление стават по-сложни; следователно е необходим холистичен проектен подход, съобразен със специфичната топология.

 

 

 

Разсеяната индуктивност в рамките на силовия контур възниква предимно от самите проводници, свързващите клеми, вътрешната структура на силовите модули и пространственото разположение на шините. Въпреки че дизайнерите не въвеждат умишлено тези индуктивности, те упражняват значителни динамични ефекти по време на високо-скоростни превключващи операции.

 

Въз основа на фундаменталните индуктивни принципи, дори минималната паразитна индуктивност може да генерира значителни преходни напрежения, когато скоростта на промяна на тока е висока. За високо-скоростни превключващи устройства, прекалено дългата комутационна верига или голямото разделение между положителни и отрицателни токови пътища увеличава вероятността от превишаване на напрежението и високо-честотно звънене.

 

Основен фокус в дизайна на ламинирани шини е минимизиране на разстоянието между положителни и отрицателни токови пътища и скъсяване на разстоянието на свързване между захранващите модули и кондензаторите на DC връзката. Оптимизирането на разстоянието между проводниците намалява площта, затворена от комутационния контур, което улеснява контролирането на свързването на магнитното поле и паразитната индуктивност на контура.

 

Следователно, когато проектират ламинирани шини за преобразуватели с висока{0}}мощност, инженерите трябва да вземат предвид цялата комутационна верига, вместо да се фокусират единствено върху размерите на шината. Относителното позициониране на кондензаторите, захранващите модули, свързващите клеми и шините влияят на крайните параметри на веригата.

 

 

Ниската индуктивност не премахва необходимостта от термичен дизайн. Тъй като мощността на системата се увеличава, непрекъснатото натоварване на тока на шината се повишава; едновременно, високо{1}}скоростното превключване подлага на високо{2}}честотно разпределение на тока върху кожата и ефекти на близост.

 

При по-високи честоти токът не остава равномерно разпределен в напречното-сечение на проводника, а има тенденция да се концентрира в определени повърхностни области. Ако ширината, дебелината и разстоянието между слоевете на шината не са проектирани оптимално, могат да възникнат проблеми като локализирани увеличения на плътността на тока и концентрирани покачвания на температурата.

 

Следователно дизайнът на напречното-сечение на шината изисква балансиращ{1}}носещ капацитет, AC загуби, механична якост и условия за разсейване на топлината. За преобразуватели за съхранение на енергия с висока-мощност, в допълнение към изчисляването на постоянен ток-носеща способност, от съществено значение е да се вземат предвид вариациите на съпротивлението на променлив ток при действителните работни честоти и да се провери конструкцията чрез изпитване за повишаване на температурата.

 

Докато ламинираната структура може да намали площта на токовия контур, много{0}}слойната изолационна структура може да промени пътя на разсейване на топлината от проводника към външната страна. Следователно по време на процеса на проектиране трябва да се вземат предвид фактори като дебелина на медния слой, изолационен материал, методи на монтаж и външни условия на охлаждане. Може да са необходими различни стратегии за топлинен дизайн за конструкции на шини в зависимост от това дали оборудването използва естествено охлаждане, принудително-въздушно охлаждане или течно охлаждане.

 

 

В действителните системи паразитната индуктивност не е ограничена до основното тяло на шината; значителни паразитни параметри могат да възникнат и в зоните на свързване между шината и компоненти като силови модули, кондензатори и други електрически части.

 

Свързващи болтове, преходи на клеми, локализирани завои и резки промени в напречното-сечение на проводника могат да променят пътя на тока. Ако точката на свързване е далеч от захранващото устройство, цялата комутационна верига все още може да показва значителна паразитна индуктивност, дори ако главната шина използва ламинирана структура с ниска-индуктивност.

 

Следователно инженерните проекти трябва да минимизират ненужните преходни структури и да осигурят непрекъснатост на високо{0}}честотните токови пътища. За системи, изискващи -многоточкови връзки, геометричната симетрия между паралелните клонове трябва да се поддържа колкото е възможно повече, за да се осигури подобен електрически път и импедансни характеристики в клоновете.

 

Подобни принципи на проектиране се прилагат в области като ламинирани шини за електрически превозни средства и високо{0}}електрически задвижващи системи. Тъй като системите за електрическо задвижване се развиват към по-високи напрежения и плътности на мощността, шините трябва не само да отговарят на високи-изисквания за предаване на ток, но и да се адаптират към ограничено пространство за инсталиране и сложни механични структури.

 

 

В практическото промишлено оборудване шините рядко се разполагат в редовни открити монтажни пространства. Строгите пространствени ограничения, наложени от захранващи модули, кондензатори, радиатори, контролни платки и структурни компоненти, често налагат конфигурации на шини, включващи завои, изрези, разклонения и много-слойни връзки. За ламинирани шини, използвани в сложни инсталации, фокусът на дизайна се простира отвъд размерите на проводника, за да включва прецизност на подравняване между слоевете, изолационни граници и последователност на монтажните интерфейси.

 

Отвори и изрези в шината променят локалните пътища на тока. Ако тези характеристики са разположени в близост до първични комутационни зони, токът може да бъде принуден да се отклони около тях, като по този начин повлияе на локалната плътност на тока и паразитните параметри. Следователно местоположението, размерът и обработката на ръбовете на отворите трябва да бъдат оценени по време на фазата на структурно проектиране, за да се предотврати неблагоприятното въздействие на изискванията за механичен монтаж върху електрическите характеристики.

 

В-системи с високо напрежение трябва да се обърне внимание и на концентрацията на електрическо поле по краищата на проводниците и изолационните интерфейси. Правилното използване на радиуси, фаски и изолационно капсулиране може да смекчи локалното усилване на електрическото поле и да намали риска от повреда на изолацията по време на дългосрочна-работа.

 

 

Когато напреженията на DC шината достигнат нива от няколкостотин волта или по-високи, дизайнът на шините надхвърля обикновеното предаване на ток; трябва също така да вземе предвид хлабината, пътя на пълзене, диелектричната якост и дългосрочната{0}}изолационна надеждност.

 

В -инверторите с високо напрежение изолационният материал между проводниковите слоеве трябва да издържа както на непрекъснато работно напрежение, така и на повтарящо се напрежение, причинено от преходни процеси при превключване. За специализирано оборудване-като високо-напрежение, взривозащитени-инверторни шини-структурният дизайн трябва също така да съответства на рейтингите за защита от проникване (IP), условията на околната среда и стандартите за безопасност.

 

Изборът на изолационен материал трябва да вземе предвид дългосрочната-работна температура, диелектрична якост, механична якост, устойчивост на влага и характеристики на стареене. За високо-честотни, високо{3}}скоростни превключващи системи, дългосрочната -стабилност на материала при повтарящи се dv/dt напрежения също е критично съображение.

 

В същото време простото увеличаване на дебелината на изолацията не е оптималният подход. Прекалено дебелата изолация увеличава разстоянието между проводниците, като по този начин увеличава площта на комутационния контур и потенциално повишава паразитната индуктивност. Следователно практическият дизайн изисква постигане на разумен баланс между границите на безопасност на изолацията и целта за минимизиране на индуктивността.

 

 

 

Тъй като оборудването за преобразуване на мощност със средно{0}} и високо{1}}напрежение се развива, многостепенните топологии се възприемат все повече в преобразуватели за съхранение на енергия, промишлени-честотни задвижвания (VFD) и високо{3}}системи за силова електроника. Докато структурите на три-нива позволяват напрежението върху компонентите да бъде разпределено между множество потенциални нива, те също така въвеждат по-голяма сложност в структурата на шините. При проектиране на ламинирани шини за три-степенни инвертори, шината обикновено трябва да управлява електрическите връзки, включващи едновременно положителни, неутрални и отрицателни клеми. Тъй като текущите комутационни пътища могат да се променят в зависимост от работното състояние, дизайнът на шините не може да бъде оптимизиран само за едно състояние; вместо това, той трябва да побере комутационни вериги във всички първични състояния на превключване.

 

Усилията в дизайна също дават приоритет на поддържането на геометрична симетрия в различните енергийни клонове. Значителни разлики в дължините на пътя между паралелните клонове могат да доведат до неравномерно динамично разпределение на тока, карайки определени компоненти да издържат на по-високи токови натоварвания и топлинен стрес.

 

Това е ключова причина, поради която много{0}}слойните композитни шини са много ценни в оборудване с висока-мощност. Чрез комбиниране на множество проводникови слоеве с изолационни материали, тези шини позволяват компактни връзки, включващи множество напреженови потенциали и разклонения в рамките на ограничен отпечатък, като същевременно предлагат по-голяма гъвкавост на дизайна по отношение на контрола на индуктивността и механичното оформление.

 

 

Приложението на ламинираните шини се разшири отвъд традиционните промишлени захранвания в сектори като съхранение на енергия, автомобилостроене, телекомуникации, компютри, железопътен транспорт и индустриални машини от висок клас.

 

В задвижванията с променлива честота (VFD) и системите за управление на двигателите шините с ниска-индуктивност съкращават комутационния път с висока-честота между захранващите компоненти и кондензаторите на DC-връзката; следователно ламинираните шини са стандартен избор за VFD архитектури. За контролери за двигатели с висока-мощност дизайнът трябва също така да отчита висок{5}}тоководещ капацитет, термични цикли и механични вибрации.

 

Центровете за данни и високо{0}}производителните изчислителни системи често изискват висока плътност на мощността и компактни инсталационни отпечатъци. Шинопроводите могат да бъдат подредени в много-слойни конфигурации в рамките на шкафове, за да обслужват захранващи устройства на сървъри, задни платки и мрежи за електроразпределение. В тези среди ламинираните шини за платки или задни платки на суперкомпютри трябва да балансират пространствените ограничения и високата плътност на тока с изискванията за електромагнитна съвместимост (EMC) между сигналните и захранващите системи.

 

Телекомуникационната инфраструктура предявява подобни изисквания. Базовите станции, рутерите и телекомуникационното захранващо оборудване често изискват взаимно свързване на множество захранващи модули в рамките на ограничено структурно пространство, което налага дизайн на шини, който улеснява модулната инсталация и ниско-импедансно захранване. В такова оборудване ламинираните шини, предназначени за разпределение на мощността на клетъчната базова станция, се използват за създаване на компактни пътища за разпределение на мощността. За сървъри и комуникационно оборудване шините за разпределителен блок (PDU) обикновено служат като централизирани точки за разпределение на захранването за множество клонове на натоварване; техният структурен дизайн трябва да дава приоритет на токопреносната -носеща способност, повишаването на температурата, изолацията и лесната поддръжка.

 

 

Новите енергийни превозни средства (NEVs) представляват ключова област на приложение за високо{0}}мощни DC взаимосвързани структури. Тъй като нивата на напрежение на системите с електрическо задвижване се покачват и плътността на мощността се увеличава, традиционните кабелни снопове и методите за разпределено свързване се сблъскват с ограничения по отношение на пространството, токопреносната-капацитет и термичното управление.

 

Шините в NEV обикновено свързват акумулаторни системи, инвертори, моторни контролери и други високо{0}}компоненти; следователно техният структурен дизайн трябва едновременно да се отнася до-носеща способност, електрическа изолация, устойчивост на вибрации и пространствено оформление.

 

Системите за съхранение на енергия поставят по-голям акцент върху дългосрочната{0}}оперативна надеждност. Големите -преобразуватели за съхранение на енергия често се справят с високи напрежения и големи токове, а структурите на шините пряко влияят на производителността на връзката между захранващи модули, кондензатори и други електрически единици. Добре-проектираната ламинирана структура позволява по-къси захранващи вериги в ограничено пространство и улеснява модулната инсталация на оборудването.

 

За високо{0}}честотни импулсни захранвания и високо-преобразуващо оборудване за мощност, дизайните с ниска-индуктивност спомагат за смекчаване на превишаване на напрежението и високо-честотни колебания, причинени от преходни процеси при превключване, като по този начин се създава по-контролирана електрическа среда за стабилна работа на захранващите устройства.

 

 

 

Железопътните транзитни тягови системи се характеризират с висока мощност, продължителна работа и сложна механична среда; техните силови взаимосвързани структури трябва да издържат на високи токове, както и на непрекъснати механични вибрации и термични цикли.

 

В тези системи ламинираните шини се използват за вътрешни захранващи връзки в рамките на оборудване като тягови преобразуватели и спомагателни захранващи устройства. Освен че отговарят на изискванията за електрическа производителност, тези шини трябва да отчитат пространствените ограничения на оборудването, механичния монтаж, безопасността на изолацията и дългосрочната-работна среда.

 

По същия начин шинните структури в тягово и индустриално преобразувателно оборудване често се персонализират въз основа на позиционирането на силови модули, кондензатори и компоненти за разсейване на топлината. За-ограничено пространство оборудване, много-слойните структури подобряват интегрирането на захранващите връзки и намаляват пространството, свързано с традиционното окабеляване. Дизайнът с ниска-индуктивност се измества от оптимизиране на единичен параметър към холистична синергия на ниво-система.

 

С все по-широкото приемане на широко{0}}захранващи устройства като SiC и GaN-които позволяват по-високи скорости на превключване и работни честоти-дизайнът на шините се развива от традиционен „ток{3}}носещ напречен-дизайн на сечение“ до синергичен подход, интегриращ електрически, термични, механични и изолационни съображения.

 

Бъдещите проекти на шини трябва не само да минимизират паразитната индуктивност, но и да управляват загубите на променлив ток, повишаването на температурата, разпределението на електрическото поле и механичното напрежение. Особено във високо{1}}честотни системи шината функционира като неразделна част от силовия контур, като нейната геометрия влияе пряко върху динамичното електрическо поведение на системата.

 

Едновременно с това технологията за производство на шини напредва към по-високи нива на интеграция, включвайки функции като вградени кондензатори, интегрирани сензори, сложни 3D структури на проводници и прецизни техники за формоване на изолация. Тези технологии позволяват по-къси електрически вериги и подобрено използване на пространството, като същевременно осигуряват структурна основа за наблюдение на състоянието на оборудването.

 

От инженерна гледна точка дизайнът наламинирани шини с ниска{0}}индуктивностне е просто за постигане на възможно най-ниската стойност на индуктивност; по-скоро изисква определяне на подходящ целеви диапазон въз основа на фактори като захранващи устройства, работно напрежение, честота на превключване, термично управление и изисквания за изолация. Само чрез съвместно-проектиране на шината с целия захранващ контур може да се реализира пълният потенциал на ламинираната структура в системи с-мощна силова електроника.

 

Като цяло ламинираните шини са еволюирали от обикновени конектори за силен-ток до критични структурни компоненти в рамките на високо{1}}мощно оборудване за силова електроника. Тяхната стойност се крие основно в характеристики като ниска разсеяна индуктивност, компактни захранващи връзки, контролируеми токови пътища и изолационни конструкции за високо-напрежение. Когато се снабдяват с тези компоненти, инженерите трябва изчерпателно да оценят материалите, структурния дизайн и възможностите за производство по поръчка, като вземат предвид системното напрежение, ток, честота на превключване, пространство за инсталиране, изисквания за изолация и процеси на масово производство.