Развенчание большего количества слоев, лучшее заблуждение о ламинированных шинах

Благодаря быстрому развитию новой энергетики, силовой электроники и промышленной автоматизации ламинированные шины широко используются в системах хранения энергии, инверторах, транспортных средствах на новой энергии, силовых модулях и железнодорожном транспорте благодаря их низкой индуктивности, высокой интеграции и хорошим характеристикам ЭМС. Ламинированные шины с низкой-индуктивностью, особенно в высокочастотном и высокомощном оборудовании, постепенно вытеснили традиционные кабельные соединения, став важным компонентом современных энергосистем.

 

Однако в отрасли сохраняется распространенное заблуждение: что большее количество слоев в ламинированной шине обязательно означает лучшую производительность. На самом деле ламинированная конструкция представляет собой систематический инженерный проект, требующий всестороннего учета индуктивности, тепловыделения, конструктивного пространства, стоимости и сценариев применения. Не существует абсолютного вывода о том, что «больше слоев означает более продвинутый уровень».

 

 

 

Ламинированные шины обычно состоят из нескольких слоев проводящих медных шин и изолирующего материала, склеенных вместе с помощью процесса горячего-прессования. Это типичные соединительные стержни много-композитной конструкции. Путем оптимизации расстояния и расположения между положительными и отрицательными клеммами можно значительно уменьшить паразитную индуктивность в цепи, что повышает стабильность работы системы. В настоящее время основные спецификации в отрасли в основном варьируются от 2 до 6 слоев, причем разные номера слоев соответствуют различным потребностям приложений:

 

Двух-слойные конструкции обычно подходят для оборудования низкой- и средней-мощности, предлагая такие преимущества, как продуманные производственные процессы, более низкие затраты и простота установки. Они обычно встречаются в базовых шинах распределительных устройств, низковольтных инверторах и общепромышленных системах распределения электроэнергии.

 

Трех-слойные структуры являются одним из наиболее широко используемых решений. Трех-ламинированные шины обеспечивают лучшее распределение тока и электромагнитное экранирование, обеспечивая высокую экономическую-эффективность в оборудовании средней мощности. Они широко используются в инверторах хранения энергии, системах ИБП и новых модулях вспомогательного управления энергией.

 

Структуры с четырьмя и более слоями чаще используются в сценариях с высокой-частотой, большой-мощностью и сложной топологией, например, ламинированные шины в преобразователях высокой мощности, ламинированные шины IGBT и крупномасштабные-системы PCS хранения энергии. Их основные преимущества заключаются в более низкой паразитной индуктивности, более высоких характеристиках ЭМС и более высокой системной интеграции.

 

 

 

I. Изменения электрических характеристик

С увеличением количества слоев между положительным и отрицательным проводниками может быть образована более прочная структура связи, тем самым уменьшая паразитную индуктивность. Это особенно важно для высокочастотных-устройств SiC и высокоскоростных-модулей IGBT переключения.

 

В изготовленных по индивидуальному заказу ламинированных шинах для IGBT обычно основное внимание уделяется оптимизации межслойной структуры шины для уменьшения скачков напряжения и электромагнитных помех, возникающих во время переключения.

 

Однако увеличение количества слоев не обязательно означает неограниченное улучшение производительности. Слишком большое количество слоев может привести к увеличению межслоевой паразитной емкости, что, если параметры не подобраны должным образом, может отрицательно повлиять на стабильность системы. Поэтому при проектировании ламинированной шины для трех-инвертора параметры индуктивности и емкости должны быть сбалансированы одновременно.

 

II. Изменения в способности рассеивания тепла

Многослойные структуры могут расширить путь теплопроводности и площадь рассеивания тепла, поэтому многослойные шины обычно имеют меньший рост температуры при тех же условиях -передачи тока.

 

В сценариях с высокими-токами, таких как взрывозащищенные-инверторные шины высокого напряжения, многослойные конструкции могут эффективно уменьшить локальные точки перегрева и повысить долгосрочную-стабильность работы.

 

Однако в то же время увеличение количества слоев приводит и к увеличению общей толщины, занимая больше места для установки. Поэтому в компактных устройствах внутреннюю компоновку необходимо продумывать комплексно.

 

III. Улучшенные возможности системной интеграции

Одним из самых больших преимуществ ламинированных шин является их высокая степень интеграции. По сравнению с традиционными жгутами проводов, много-структурные конструкции могут одновременно объединять несколько силовых, сигнальных петель и систем заземления, сокращая количество узлов подключения и повышая надежность системы.

 

Например:

Ламинированные шины для распределения питания Объединительные платы могут использоваться в серверных и промышленных энергосистемах.

Ламинированные шины для распределения объединительной платы маршрутизатора подходят для внутреннего источника питания коммуникационного оборудования.

Ламинированные шины для распределения питания базовых станций сотовой связи широко используются в базовых станциях 5G и источниках питания связи.

В сложных кабельных средах ламинированные шины для комплексной установки шин эффективно сокращают требования к пространству и упрощают процесс установки.

 

IV. Структурная стабильность и защита от-помех

Много-слойные структуры могут образовывать более полный контур электромагнитного экранирования, тем самым улучшая защиту системы от-помех.

 

В области новых энергетических транспортных средств, систем электропривода и железнодорожного транспорта к шинам контроллеров двигателей и ламинированным шинам метрополитена предъявляются высокие требования по ЭМС. Много-слойные симметричные структуры могут эффективно уменьшить проблемы дисбаланса тока и улучшить долгосрочную-стабильную работоспособность оборудования.

 

В системах железнодорожного транспорта и тяговых систем высокой-мощности композитная шина для четырехквадрантных силовых модулей электропитания поездов также должна выдерживать динамические воздействия, высокие температуры и поддерживать высокие изоляционные характеристики.
 

 

Хотя шины более высокого-слоя обеспечивают превосходную производительность, сложность производства соответственно возрастает.

 

Двух-–трех-продукты имеют относительно зрелые процессы, высокую производительность и контролируемые затраты на обработку.

 

Изделия с четырьмя слоями-и выше предъявляют более высокие требования к контролю толщины медной фольги, точности ламинирования изоляции, процессам горячего-прессования и симметричной компоновке. Это особенно актуально для специализированных конструкций, таких как частично ламинированные шины, которые требуют чрезвычайно высокой точности обработки локальной изоляции и токопроводящих зон.

 

Кроме того, много-структуры означают:

Повышенный расход сырья;

Более сложные процессы ламинирования;

Более строгие стандарты тестирования;

Более длительные производственные циклы.

 

Поэтому решения высокого-уровня не обязательно подходят для всех проектов.

 

 

Для оборудования малой и средней мощности с выходной мощностью менее 100 кВт обычно достаточно двух-трех слоев. Эти сценарии включают базовые приложения, такие как общие системы хранения энергии, небольшие системы ИБП и системные шины источников бесперебойного питания (ИБП).

 

Для систем средней-–-мощности (от 100 кВт до 500 кВт) структура с 3–4 слоями больше подходит для балансировки индуктивности, рассеивания тепла и производственных затрат.

 

Для мощных-систем, превышающих 500 кВт, высокочастотных-преобразователей SiC и крупных систем хранения энергии обычно требуется структура с 4–6 слоями, чтобы удовлетворить требования к более низкой индуктивности, более высоким характеристикам ЭМС и более сильному рассеиванию тепла.

 

Примеры включают:

Ламинированная шина для электромобилей;

Взрывозащищенная шина высокого напряжения-инвертора

Крупномасштабные-системы хранения энергии PCS;

Преобразователи частоты высокого-напряжения;

Системы главного привода транспортных средств на новой энергии.

 

В сложных схемах, таких как много-топологии, часто требуется структура от 3-до 5 слоев ламинированной шины для трехуровневых инверторов для достижения симметричных путей тока и стабильного управления разделением тока.

 

 

 

Заблуждение 1. Больше слоев обязательно означает лучшую производительность.

На самом деле количество слоев — единственный параметр, влияющий на производительность.

Толщина медной шины, изоляционный материал, схема подключения, расстояние между проводниками и точность обработки — все это напрямую влияет на конечные характеристики.

Слепое увеличение количества слоев не только увеличивает затраты, но и может повлиять на стабильность оборудования из-за изменения паразитных параметров.

 

Заблуждение 2. Продукты низкого-уровня – это «решения низкого-класса».

Фактически, для многих устройств малой и средней мощности 2--3-слойные структуры являются наиболее зрелыми, стабильными и экономически эффективными решениями.

Хорошо-сконструированная трех-ламинированная шина может полностью удовлетворить потребности большинства традиционных промышленных применений.

 

Заблуждение 3: Продукты с одинаковым количеством слоев имеют одинаковые характеристики.

Даже при одинаковом количестве слоев между разными конструкциями могут существовать существенные различия.

Например, расположение медной фольги, изоляционный материал, процесс горячего-прессования и симметрия проводников напрямую влияют на характеристики шины.

Фактические характеристики высококачественных медных шин-часто намного превосходят характеристики обычных конструкционных шин.

 

 

 

Благодаря постоянному развитию SiC-устройств, технологии высокочастотных преобразователей и систем накопления энергии ламинированные шины развиваются в сторону более высоких частот, более высокой степени интеграции и более высокого качества.

 

В будущем высокотехнологичные области-электроники, такие как ламинированные шины для печатных плат суперкомпьютеров или объединительные платы, будут способствовать дальнейшему развитию шин в направлении высокой плотности, миниатюризации и индивидуальной настройки.

 

В то же время конструкции специализированных шин для новых энергетических транспортных средств, силовой электроники и коммуникационного оборудования станут более сегментированными, при этом промышленность будет уделять больше внимания «адаптации приложений», а не просто увеличению количества слоев.

 

 

Основная ценность ламинированных шин заключается не в «большем количестве слоев», а в их способности точно соответствовать требованиям оборудования.

 

Разумный дизайн слоев должен всесторонне учитывать:

Мощность оборудования;

Частота переключения;

требования ЭМС;

Теплоотдача;

Место для установки;

Стоимость изготовления;

Долгосрочная-стабильность работы.

 

Только благодаря научному проектированию, основанному на реальных сценариях применения, можно получить преимущества в производительностиЛаминированные шины, пассивные электронные компоненты, будут реализованы по-настоящему, достигая оптимального баланса между эффективностью системы, надежностью и стоимостью.