Ламинированные шины в фотоэлектрических системах-плюс-хранилище и электронных системах высокой-мощности: тенденции в области низкой паразитной индуктивности и надежности проектирования

По мере того как силовые электронные системы,-такие как системы для фотоэлектрической генерации, инверторы для хранения энергии, электромобили и железнодорожный транспорт,-развиваются в сторону более высокой плотности мощности и более высоких частот переключения, скорость переключения силовых устройств увеличивается. Следовательно, влияние внутренних паразитных параметров на операционные показатели становится все более значимым. На этом фоне ламинированные шины превратились из простых разъемов для передачи энергии в критические структурные компоненты, которые влияют на индуктивность силового контура, превышение напряжения, управление температурным режимом и электромагнитную совместимость (ЭМС).

 

В традиционных преобразователях мощности шины в первую очередь служат для передачи мощности постоянного тока и обеспечения электрических соединений между различными силовыми агрегатами. Однако когда в системах используются высокоскоростные силовые устройства, такие как IGBT, SiC MOSFET или GaN-устройства, высокие значения di/dt и dv/dt, генерируемые во время переходных процессов переключения, усиливают влияние паразитных параметров в силовом контуре. Если конструкция шинопровода спроектирована плохо, значительная паразитная индуктивность контура может привести к заметному выбросу напряжения и высокочастотным-колебаниям во время переключения; это увеличивает напряжение на устройствах и предъявляет дополнительные требования к системе контроля электромагнитных помех.

 

Таким образом, в оборудовании для преобразования большой-мощности выбор шин больше не может основываться исключительно на-нагрузочной способности по току; также необходимо учитывать такие факторы, как электрическая топология, площадь контура, межслойная изоляция, теплопроводность, механический монтаж и высокочастотное распределение тока. Структуры с низкой-индуктивностью стали ключевым моментом при проектировании силовых межсоединений, особенно для приложений с высокоскоростным-переключением.
 

 

 

Ламинированные шины обычно формируются путем штабелирования, позиционирования и ламинирования двух или более проводящих металлических пластин с изолирующими диэлектрическими слоями в определенной конфигурации. К распространенным материалам проводников относятся медь и медные сплавы, хотя могут использоваться и такие материалы, как алюминий, в зависимости от веса, стоимости и требований-по токопроводимости. Межслойные изоляционные материалы должны отвечать строгим требованиям в отношении диэлектрической прочности, термостойкости, механической стабильности и долгосрочной-надежности.

 

По сравнению с традиционными дискретными медными шинами основным преимуществом ламинированной конструкции является ее способность располагать рядом проводящие пути противоположной полярности или разных потенциалов. Когда токи, текущие в противоположных направлениях, проходят через соседние проводники, их соответствующие магнитные поля частично нейтрализуют друг друга, тем самым уменьшая эффективную энергию магнитного поля и паразитную индуктивность контура коммутации.

 

Для преобразователей большой-мощности эта структура особенно хорошо-подходит для минимизации пути коммутации тока между шиной постоянного тока и силовыми модулями. При правильной конструкции шина не только облегчает передачу больших-токов, но и уменьшает площадь высокочастотного контура коммутации на структурном уровне, тем самым создавая более стабильные условия работы для быстродействующих силовых устройств.

 

Количество слоев шин варьируется в зависимости от топологии схемы. Например, двух-преобразователь может использовать двух-слойную структуру (положительный и отрицательный полюса), тогда как много-преобразователь может потребовать дополнительных слоев,-таких как нейтральная точка или другие потенциальные уровни,-в результате чего получается много-конфигурация, подобная трех-ламинированной шине. По мере увеличения количества слоев вопросы, касающиеся электрической изоляции, связи паразитных параметров и управления температурным режимом, становятся более сложными; следовательно, требуется целостный подход к проектированию, адаптированный к конкретной топологии.

 

 

 

Паразитная индуктивность внутри силового контура возникает в первую очередь из-за самих проводников, соединительных клемм, внутренней структуры силовых модулей и пространственного расположения шин. Хотя разработчики не вводят эти индуктивности намеренно, они оказывают значительное динамическое воздействие во время-высокоскоростных операций переключения.

 

Основываясь на фундаментальных принципах индуктивности, даже минимальная паразитная индуктивность может генерировать значительные переходные напряжения при высокой скорости изменения тока. Для высокоскоростных-коммутационных устройств слишком длинный контур коммутации или большое расстояние между положительными и отрицательными токами увеличивают вероятность перенапряжения и высокочастотных-звонов.

 

Основное внимание при проектировании ламинированных шин уделяется минимизации расстояния между положительными и отрицательными токами и сокращению расстояния соединения между силовыми модулями и конденсаторами звена постоянного тока. Оптимизация расстояния между проводниками уменьшает площадь, занимаемую контуром коммутации, что упрощает управление связью магнитного поля и паразитной индуктивностью контура.

 

Поэтому при проектировании ламинированных шин для-мощных преобразователей инженеры должны учитывать весь контур коммутации, а не сосредотачиваться исключительно на размерах шины. Относительное расположение конденсаторов, силовых модулей, соединительных клемм и шин влияет на конечные параметры контура.

 

 

Низкая индуктивность не устраняет необходимости теплового расчета. По мере увеличения мощности системы непрерывная токовая нагрузка на шину возрастает; одновременно-высокая скорость переключения приводит к-распределению высокочастотного тока скин-эффекту и эффекту близости.

 

На более высоких частотах ток не распределяется равномерно по поперечному сечению-проводника, а имеет тенденцию концентрироваться на определенных участках поверхности. Если ширина, толщина и межслойное расстояние шины рассчитаны неоптимально, могут возникнуть такие проблемы, как локальное увеличение плотности тока и концентрированное повышение температуры.

 

Таким образом, при проектировании поперечного сечения-шины необходимо уравновешивать допустимую нагрузку по току-, потери переменного тока, механическую прочность и условия рассеивания тепла. Для мощных-преобразователей накопления энергии помимо расчета допустимой нагрузки по постоянному току-важно учитывать изменения сопротивления переменному току на фактических рабочих частотах и ​​проверять конструкцию с помощью испытаний на повышение температуры.

 

Хотя ламинированная конструкция может уменьшить площадь токовой петли, многослойная изоляционная структура может изменить путь рассеивания тепла от проводника наружу. Следовательно, в процессе проектирования необходимо учитывать такие факторы, как толщина медного слоя, изоляционный материал, методы монтажа и условия внешнего охлаждения. Для шинных конструкций могут потребоваться различные стратегии теплового проектирования в зависимости от того, использует ли оборудование естественное охлаждение, принудительное-воздушное охлаждение или жидкостное охлаждение.

 

 

В реальных системах паразитная индуктивность не ограничивается основной частью шины; значительные паразитные параметры могут также возникнуть в зонах соединения между шиной и такими компонентами, как силовые модули, конденсаторы и другие электрические детали.

 

Соединительные болты, переходы между клеммами, локальные изгибы и резкие изменения поперечного сечения-проводников могут изменить путь тока. Если точка подключения находится далеко от силового устройства, весь контур коммутации может по-прежнему иметь значительную паразитную индуктивность, даже если в главной шине используется многослойная конструкция с низкой-индуктивностью.

 

Таким образом, инженерные проекты должны сводить к минимуму ненужные переходные конструкции и обеспечивать непрерывность-трактов высокочастотного тока. Для систем, требующих многоточечных соединений, необходимо максимально поддерживать геометрическую симметрию между параллельными ветвями, чтобы обеспечить одинаковые характеристики электрического пути и импеданса между ветвями.

 

Аналогичные принципы проектирования применяются в таких областях, как ламинированные шины для электромобилей и системы электропривода высокого-напряжения. Поскольку системы электропривода развиваются в сторону более высоких напряжений и плотности мощности, шины должны не только отвечать требованиям передачи высоких-токов, но также адаптироваться к ограниченному пространству для установки и сложным механическим конструкциям.

 

 

В практическом промышленном оборудовании шины редко располагаются в обычных открытых пространствах. Строгие пространственные ограничения, налагаемые силовыми модулями, конденсаторами, радиаторами, платами управления и структурными компонентами, часто приводят к необходимости использования конфигураций шин, включающих изгибы, вырезы, ответвления и много-слойные соединения. Для ламинированных шин, используемых в сложных установках, при проектировании основное внимание уделяется не только размерам проводников, но и точности выравнивания между слоями, границами изоляции и согласованностью монтажных интерфейсов.

 

Отверстия и вырезы в шине изменяют местные пути тока. Если эти элементы расположены вблизи первичных зон коммутации, ток может быть вынужден отклоняться вокруг них, тем самым влияя на локальную плотность тока и паразитные параметры. Следовательно, расположение, размер и обработка краев отверстий должны быть оценены на этапе проектирования конструкции, чтобы требования к механическому монтажу не оказывали отрицательного влияния на электрические характеристики.

 

В системах высокого-напряжения также необходимо учитывать концентрацию электрического поля на краях проводников и границах изоляции. Правильное использование радиусов, фасок и изоляционной герметизации может смягчить локальное усиление электрического поля и снизить риск повреждения изоляции во время длительной-эксплуатации.

 

 

Когда напряжение на шине постоянного тока достигает уровня в несколько сотен вольт или выше, конструкция шинопровода выходит за рамки простой передачи тока; необходимо также учитывать зазор, путь утечки, диэлектрическую прочность и долгосрочную-надежность изоляции.

 

В инверторах высокого-напряжения изоляционный материал между слоями проводника должен выдерживать как постоянное рабочее напряжение, так и повторяющиеся перенапряжения, вызванные переходными процессами переключения. Для специализированного оборудования,-например, высоко-взрывобезопасных инверторных шин-конструкция-также должна соответствовать степени защиты оборудования (IP), условиям окружающей среды и стандартам безопасности.

 

При выборе изоляционного материала следует учитывать долгосрочную-рабочую температуру, диэлектрическую прочность, механическую прочность, влагостойкость и характеристики старения. Для высоко-частотных и-скоростных систем переключения решающим фактором также является долговременная-стабильность материала при повторяющихся нагрузках dv/dt.

 

В то же время простое увеличение толщины изоляции не является оптимальным подходом. Чрезмерно толстая изоляция увеличивает расстояние между проводниками, тем самым увеличивая площадь коммутационного контура и потенциально повышая паразитную индуктивность. Таким образом, практическое проектирование требует установления разумного баланса между запасами прочности изоляции и целью минимизации индуктивности.

 

 

 

По мере развития оборудования для преобразования энергии среднего- и высокого-напряжения многоуровневые топологии все чаще применяются в преобразователях накопления энергии, промышленных преобразователях-частотных приводах (ЧРП) и системах силовой электроники высокого-напряжения. Хотя трех-структуры позволяют распределять напряжение на компонентах по нескольким потенциальным уровням, они также усложняют структуру шин. При проектировании ламинированных шин для трех-уровневых инверторов шина обычно должна управлять электрическими соединениями, включающими одновременно положительные, нейтральные и отрицательные клеммы. Поскольку текущие пути коммутации могут меняться в зависимости от рабочего состояния, конструкция сборной шины не может быть оптимизирована только для одного состояния; вместо этого он должен учитывать петли коммутации во всех основных состояниях переключения.

 

При проектировании также уделяется приоритетное внимание сохранению геометрической симметрии между ветвями власти. Значительные различия в длинах путей между параллельными ветвями могут привести к неравномерному динамическому распределению тока, в результате чего некоторые компоненты будут выдерживать более высокие токовые нагрузки и термические нагрузки.

 

Это основная причина, по которой много-композитные шины очень ценны в-мощном оборудовании. Сочетая несколько слоев проводников с изоляционными материалами, эти шины обеспечивают компактные соединения с несколькими потенциалами напряжения и разветвлениями на ограниченной площади, обеспечивая при этом большую гибкость конструкции в отношении управления индуктивностью и механической компоновки.

 

 

Применение ламинированных шин вышло за рамки традиционных промышленных источников питания и теперь охватывает такие отрасли, как накопление энергии, автомобилестроение, телекоммуникации, вычислительная техника, железнодорожный транспорт и высокотехнологичное-промышленное оборудование.

 

В преобразователях частоты (ЧРП) и системах управления двигателями шины с низкой-индуктивностью сокращают высокочастотный путь коммутации-между силовыми компонентами и конденсаторами-звена постоянного тока; следовательно, ламинированные шины являются стандартным выбором для архитектур с ЧРП. При разработке контроллеров двигателей большой-мощности также необходимо учитывать высокую допустимую нагрузку по току-, термоциклирование и механическую вибрацию.

 

Центры обработки данных и высокопроизводительные-вычислительные системы часто требуют высокой плотности мощности и компактности при установке. Шины могут быть расположены в многоуровневых конфигурациях внутри шкафов для обслуживания источников питания серверов, объединительных плат и сетей распределения электроэнергии. В таких условиях ламинированные шины для печатных плат или объединительных плат суперкомпьютеров должны сочетать ограничения по пространству и высокую плотность тока с требованиями электромагнитной совместимости (ЭМС) между сигнальными и силовыми системами.

 

Телекоммуникационная инфраструктура предъявляет аналогичные требования. Базовые станции, маршрутизаторы и телекоммуникационное силовое оборудование часто требуют соединения нескольких силовых модулей в пределах ограниченного структурного пространства, что требует конструкции шин, облегчающей модульную установку и подачу электроэнергии с низким-импедансом. В таком оборудовании для создания компактных путей распределения мощности используются ламинированные шины, предназначенные для распределения мощности базовых станций сотовой связи. Для серверов и коммуникационного оборудования шины блока распределения питания (PDU) обычно служат централизованными точками распределения электроэнергии для нескольких ветвей нагрузки; в их структурном проектировании приоритет должен отдаваться-токовой допустимой нагрузке, повышению температуры, изоляции и простоте обслуживания.

 

 

Транспортные средства на новой энергии (NEV) представляют собой ключевую область применения межсетевых структур постоянного тока высокой-мощности. По мере роста уровней напряжения в системах электропривода и увеличения плотности мощности традиционные жгуты проводов и методы распределенного подключения сталкиваются с ограничениями в отношении пространства, -грузоподъемности по току и управления температурой.

 

Шины в NEV обычно соединяют аккумуляторные системы, инверторы, контроллеры двигателей и другие компоненты высокого-напряжения; следовательно, их структурный проект должен одновременно учитывать -пропускную способность по току, электрическую изоляцию, виброустойчивость и пространственное расположение.

 

В системах хранения энергии больше внимания уделяется долгосрочной-надежности эксплуатации. Крупномасштабные-преобразователи для хранения энергии часто выдерживают высокие напряжения и большие токи, а конструкции шин напрямую влияют на качество соединения между силовыми модулями, конденсаторами и другими электрическими блоками. Хорошо спроектированная ламинированная конструкция позволяет сократить длину контуров питания в ограниченном пространстве и облегчает модульную установку оборудования.

 

Для высокочастотных импульсных источников питания и оборудования с высокими-преобразованиями мощности конструкции с низкой-индуктивностью помогают снизить выбросы напряжения и высокочастотные-колебания, вызванные переходными процессами коммутации, тем самым создавая более контролируемую электрическую среду для стабильной работы силовых устройств.

 

 

 

Тяговые системы железнодорожного транспорта характеризуются высокой мощностью, длительным сроком эксплуатации и сложными механическими условиями; их структуры силовых межсоединений должны выдерживать высокие токи, а также постоянную механическую вибрацию и термоциклирование.

 

В этих системах ламинированные шины используются для внутренних силовых соединений внутри оборудования, такого как тяговые преобразователи и вспомогательные источники питания. Помимо соответствия требованиям к электрическим характеристикам, эти шины должны учитывать ограничения по пространству для оборудования, механический монтаж, безопасность изоляции и долгосрочную-среду эксплуатации.

 

Аналогичным образом, конструкции шин в тяговом и промышленном преобразовательном оборудовании часто настраиваются в зависимости от расположения силовых модулей, конденсаторов и компонентов рассеивания тепла. Для оборудования с-ограниченным пространством много-уровневые структуры улучшают интеграцию силовых соединений и уменьшают занимаемое пространство, связанное с традиционной прокладкой кабелей. При проектировании с низкой-индуктивностью происходит переход от оптимизации одного параметра к синергии на уровне целостной системы-.

 

С ростом популярности широкозонных силовых устройств, таких как SiC и GaN,-которые обеспечивают более высокие скорости переключения и рабочие частоты,-проектирование шин развивается от традиционного "проектирования поперечного сечения-токоведущего-" к синергетическому подходу, объединяющему электрические, тепловые, механические и изоляционные аспекты.

 

Будущие конструкции шин должны не только минимизировать паразитную индуктивность, но и управлять потерями переменного тока, повышением температуры, распределением электрического поля и механическими напряжениями. В частности, в высокочастотных-системах шина функционирует как неотъемлемая часть силового контура, а ее геометрия напрямую влияет на динамическое электрическое поведение системы.

 

В то же время технология производства шин продвигается к более высокому уровню интеграции, включая такие функции, как встроенные конденсаторы, встроенные датчики, сложные трехмерные структуры проводников и методы прецизионного формования изоляции. Эти технологии позволяют сократить контуры питания и улучшить использование пространства, обеспечивая при этом структурную основу для мониторинга состояния оборудования.

 

С инженерной точки зрения конструкцияламинированные шины с низкой-индуктивностьюречь идет не просто о достижении минимально возможного значения индуктивности; скорее, это требует определения соответствующего целевого диапазона на основе таких факторов, как силовые устройства, рабочее напряжение, частота переключения, управление температурным режимом и требования к изоляции. Только при совместном-разработке шины со всем силовым контуром можно реализовать весь потенциал многослойной конструкции в системах силовой-мощной электроники.

 

В целом ламинированные шины превратились из простых силовых-разъемов в важнейшие структурные компоненты внутри-мощного силового электронного оборудования. Их ценность заключается, прежде всего, в таких характеристиках, как низкая паразитная индуктивность, компактные силовые соединения, управляемые пути тока и конструкция изоляции для высокого-напряжения. При выборе этих компонентов инженеры должны всесторонне оценить материалы, конструкцию конструкции и возможности индивидуального производства, принимая во внимание напряжение системы, ток, частоту переключения, пространство для установки, требования к изоляции и процессы массового производства.