Dezmințirea celor mai multe straturi, o mai bună concepție greșită în barele colectoare laminate

Odată cu dezvoltarea rapidă a energiei noi, a electronicii de putere și a automatizării industriale, barele colectoare laminate sunt utilizate pe scară largă în sistemele de stocare a energiei, invertoare, vehicule cu energie nouă, module de putere și transportul pe calea ferată datorită inductanței scăzute, integrării ridicate și performanței EMC bune. În special în echipamentele de-frecvență înaltă, de mare-putere, barele colectoare laminate joase-inductive au înlocuit treptat conexiunile tradiționale prin cablu, devenind o componentă importantă a sistemelor de alimentare moderne.

 

Cu toate acestea, o concepție greșită comună persistă în industrie: că mai multe straturi într-o bară laminată înseamnă neapărat o performanță mai bună. În realitate, un design laminat este un proiect de inginerie sistematic care necesită o luare în considerare cuprinzătoare a inductanței, disipării căldurii, spațiului structural, costurilor și scenariilor de aplicare. Nu există o concluzie absolută că „mai multe straturi înseamnă mai avansat”.

 

 

 

Barele colectoare laminate sunt de obicei compuse din mai multe straturi de bare conductoare de cupru și medii izolatoare, legate între ele printr-un proces de presare la cald-. Sunt bare tipice de conexiune cu structuri compozite multi-strat. Prin optimizarea distanței și a dispoziției dintre bornele pozitive și negative, inductanța parazită din circuit poate fi redusă semnificativ, îmbunătățind stabilitatea operațională a sistemului. În prezent, specificațiile principale din industrie variază în principal de la 2 la 6 straturi, cu numere diferite de straturi corespunzând nevoilor diferitelor aplicații:

 

Structurile cu 2-straturi sunt de obicei potrivite pentru echipamente cu putere redusă- până la-, oferind avantaje precum procese de fabricație mature, costuri mai mici și instalare simplă. Acestea se găsesc în mod obișnuit în barele de bază ale unității de distribuție a energiei, invertoarele de joasă tensiune și sistemele generale de distribuție a energiei industriale.

 

Structurile cu 3-straturi sunt una dintre cele mai utilizate soluții. Barele colectoare laminate cu trei-straturi realizează o distribuție mai bună a curentului și o ecranare electromagnetică, oferind o rentabilitate ridicată-la echipamentele de putere medie. Sunt utilizate pe scară largă în invertoarele de stocare a energiei, sistemele UPS și noi module de control auxiliare pentru energie.

 

Structurile cu 4 sau mai multe straturi sunt utilizate mai des în scenarii de-frecvență înaltă, putere mare- și topologie complexă, cum ar fi bare laminate în convertoare de mare putere, bare laminate IGBT și sisteme PCS de stocare a energiei la scară mare-. Avantajele lor esențiale constau în inductanța parazită mai mică, capabilități EMC mai puternice și o integrare mai mare a sistemului.

 

 

 

I. Modificări ale performanței electrice

Odată cu creșterea numărului de straturi, se poate forma o structură de cuplare mai strânsă între conductorii pozitivi și negativi, reducând astfel inductanța parazită. Acest lucru este deosebit de important pentru dispozitivele SiC de-înaltă frecvență și modulele IGBT de comutare-de mare viteză.

 

Barele colectoare laminate personalizate pentru IGBT-uri se concentrează de obicei pe optimizarea structurii interstratului barei colectoare pentru a reduce vârfurile de tensiune și interferența EMI generată în timpul comutării.

 

Cu toate acestea, creșterea numărului de straturi nu înseamnă neapărat îmbunătățirea nelimitată a performanței. Prea multe straturi pot duce la creșterea capacității parazitare interstrat, care, dacă parametrii nu sunt corespunzători, poate avea un impact negativ asupra stabilității sistemului. Prin urmare, atunci când proiectați o bară laminată pentru un invertor cu trei-nivele, parametrii inductanței și capacității trebuie echilibrați simultan.

 

II. Modificări ale capacității de disipare a căldurii

Structurile multistrat pot extinde calea de conducție a căldurii și zona de disipare a căldurii, astfel că barele multistrat au de obicei o creștere mai mică a temperaturii în aceleași-condiții de purtare a curentului.

 

În scenariile de-curenți înalți, cum ar fi barele colectoare cu invertor rezistente la explozii-de înaltă tensiune, structurile multistrat pot reduce în mod eficient punctele fierbinți locale și pot îmbunătăți stabilitatea operațională-pe termen lung.

 

Totuși, în același timp, creșterea numărului de straturi duce și la o creștere a grosimii totale, ocupând mai mult spațiu de instalare. Prin urmare, în dispozitivele compacte, aspectul intern trebuie luat în considerare cuprinzător.

 

III. Capacități îmbunătățite de integrare a sistemului

Unul dintre cele mai mari avantaje ale barelor colectoare laminate este gradul lor ridicat de integrare. În comparație cu cablajele tradiționale, structurile multi-strat pot integra simultan mai multe bucle de putere, bucle de semnal și sisteme de împământare, reducând nodurile de conectare și îmbunătățind fiabilitatea sistemului.

 

De exemplu:

Barele magistrale laminate pentru distribuirea panourilor de bază ale energiei pot fi utilizate în sistemele de alimentare de server și industriale.

Barele de magistrală laminate pentru distribuția pe panoul de bază al routerului sunt potrivite pentru alimentarea internă a echipamentelor de comunicații.

Barele de bus laminate pentru distribuția de energie a stațiilor de bază celulare sunt utilizate pe scară largă în stațiile de bază 5G și sursele de alimentare pentru comunicații.

În mediile complexe de cablare, barele colectoare laminate pentru instalații complexe de bare colectoare reduc efectiv cerințele de spațiu și simplifică procesul de instalare.

 

IV. Stabilitate structurală și capacitate anti-interferențe

Structurile multi-strat pot forma o buclă de ecranare electromagnetică mai completă, îmbunătățind astfel capacitatea anti-interferențe a sistemului.

 

În domeniul vehiculelor cu energie nouă, sistemelor de acționare electrică și transportului feroviar, barele colectoare pentru controlerul motorului și barele colectoare laminate pentru metrou au cerințe ridicate de performanță EMC. Structurile simetrice multi-strat pot reduce în mod eficient problemele de dezechilibru curent și pot îmbunătăți capacitatea de funcționare stabilă pe termen lung a echipamentelor.

 

Pentru sistemele de tranzit pe calea ferată și de tracțiune de mare-putere, barele colectoare compozite pentru alimentarea trenurilor cu patru-cadranți trebuie să reziste la impacturi dinamice, să reziste la temperaturi ridicate și să mențină o performanță ridicată de izolație.
 

 

În timp ce barele colectoare cu strat mai înalt- oferă performanțe superioare, complexitatea de fabricație crește în consecință.

 

Produsele cu două{0}} până la trei-straturi au procese relativ mature, rate de randament ridicate și costuri de procesare controlabile.

 

Produsele cu patru-straturi și mai mari impun cerințe mai mari pentru controlul grosimii foliei de cupru, precizia laminarii izolației, procesele de presare la cald-și aspectul simetric. Acest lucru este valabil mai ales pentru structurile specializate, cum ar fi barele colectoare parțial laminate, care necesită o precizie extrem de ridicată în prelucrarea zonelor locale de izolație și conducție.

 

Mai mult, structurile multi-strat înseamnă:

Creșterea consumului de materii prime;

Procese de laminare mai complexe;

Standarde de testare mai stricte;

Cicluri de producție mai lungi.

 

Prin urmare, soluțiile de-nivel înalt nu sunt neapărat potrivite pentru toate proiectele.

 

 

Pentru echipamentele de putere mică sau medie cu o putere de ieșire sub 100 kW, două până la trei straturi sunt de obicei suficiente. Aceste scenarii includ aplicații de bază, cum ar fi sisteme generale de stocare a energiei, sisteme UPS mici și bare colectoare ale sistemului de alimentare neîntreruptibilă (UPS).

 

Pentru sistemele de putere medie-și-înaltă (100 kW până la 500 kW), o structură cu 3 până la 4 straturi este mai potrivită pentru a echilibra performanța inductanței, disiparea căldurii și costurile de producție.

 

Pentru sistemele de-putere mare care depășesc 500 kW, convertoare SiC de înaltă-frecvență și sisteme mari de stocare a energiei, este de obicei necesară o structură cu 4 până la 6 straturi pentru a îndeplini cerințele pentru inductanță mai mică, capacități EMC mai mari și disipare mai puternică a căldurii.

 

Exemplele includ:

Bare colectoare laminate pentru mașini electrice;

Bară de înaltă tensiune pentru invertor-de înaltă tensiune

Sisteme PCS de stocare a energiei la scară mare{0};

Convertoare de frecvenţă de înaltă{0}tensiune;

Sisteme de acționare principală a vehiculelor cu energie noi.

 

În circuitele complexe, cum ar fi topologiile cu mai multe-niveluri, este adesea necesară o structură de la 3-la-5 straturi pentru bara colectoare laminată pentru invertoarele cu trei niveluri pentru a obține căi de curent simetrice și control stabil de partajare a curentului.

 

 

 

Concepție greșită 1: mai multe straturi înseamnă neapărat o performanță mai bună

În realitate, numărul de straturi este singurul parametru care afectează performanța.

Grosimea barelor de cupru, materialul de izolație, structura circuitului, distanța dintre conductori și precizia de procesare, toate au impact direct asupra performanței finale.

Creșterea oarbă a numărului de straturi nu numai că crește costurile, dar poate afecta și stabilitatea echipamentului din cauza modificărilor parametrilor paraziți.

 

Concepție greșită 2: produsele-inferioare sunt „soluții-inferioare”.

De fapt, pentru multe dispozitive de putere mică și medie, structurile cu 2- până la 3 straturi sunt soluțiile cele mai mature, stabile și rentabile.

O bară colectoare laminată cu trei-straturi bine proiectată poate satisface pe deplin nevoile majorității aplicațiilor industriale convenționale.

 

Concepție greșită 3: Produsele cu același număr de straturi au aceeași performanță

Chiar și cu același număr de straturi, pot exista diferențe semnificative între diferitele modele.

De exemplu, aranjamentul foliei de cupru, materialul izolator, procesul de presare la cald-și simetria conductorului afectează în mod direct performanța barelor.

Performanța reală a barelor de cupru de înaltă calitate- este adesea cu mult superioară celei a produselor cu structură obișnuită.

 

 

 

Odată cu dezvoltarea continuă a dispozitivelor SiC, a tehnologiei-invertoarelor de înaltă frecvență și a sistemelor de stocare a energiei, barele colectoare laminate evoluează către frecvențe mai înalte, o integrare mai mare și un rafinament mai mare.

 

În viitor, câmpurile electronice de ultimă generație, cum ar fi barele de bus laminate pentru plăci de circuite de supercomputer sau backplane, vor conduce în continuare dezvoltarea barelor de înaltă densitate, miniaturizare și personalizare.

 

În același timp, design-urile dedicate de bare colectoare pentru vehicule cu energie nouă, electronice de putere și echipamente de comunicație vor deveni mai segmentate, industria punând un accent mai mare pe „adaptarea aplicațiilor” în loc să urmărească pur și simplu o creștere a numărului de straturi.

 

 

Valoarea de bază a barelor colectoare laminate nu constă în „mai multe straturi”, ci în capacitatea lor de a se potrivi cu exactitate cerințelor echipamentului.

 

Un design rezonabil de strat ar trebui să ia în considerare în mod cuprinzător:

Puterea echipamentului;

Frecvența de comutare;

Cerințe EMC;

Capacitatea de disipare a căldurii;

Spatiu de instalare;

Costul de fabricație;

Stabilitate operațională-pe termen lung.

 

Numai prin proiectarea științifică bazată pe scenarii de aplicații reale pot beneficia de avantaje de performanțăBare de bus laminate, componentele electronice pasive, să fie cu adevărat realizate, realizând echilibrul optim între eficiența sistemului, fiabilitate și cost.