Barele colectoare laminate în sistemele electronice PV-plus-de stocare și de mare-putere: tendințe în designul de inductanță redusă și de fiabilitate

Pe măsură ce sistemele electronice de putere-cum ar fi cele pentru generarea energiei fotovoltaice, invertoarele de stocare a energiei, vehiculele electrice și tranzitul feroviar-evoluează spre densități mai mari de putere și frecvențe de comutare mai mari, vitezele de comutare ale dispozitivelor de alimentare au crescut. În consecință, impactul parametrilor paraziți interni asupra performanței operaționale a devenit din ce în ce mai semnificativ. În acest context, barele colectoare laminate au evoluat de la conectori simpli pentru transmiterea energiei în componente structurale critice care influențează inductanța buclei de putere, depășirea tensiunii, managementul termic și compatibilitatea electromagnetică (EMC).

 

În convertoarele de putere tradiționale, barele colectoare servesc în primul rând pentru a transmite curent continuu și pentru a asigura conexiuni electrice între diferite unități de putere. Cu toate acestea, atunci când sistemele folosesc dispozitive de putere-de mare viteză, cum ar fi IGBT-uri, MOSFET-uri SiC sau dispozitive GaN, di/dt și dv/dt ridicate generate în timpul tranzitorilor de comutare amplifică efectele parametrilor paraziți din bucla de putere. Dacă structura barelor colectoare este proiectată prost, inductanța semnificativă a buclei parazite poate duce la depășiri pronunțate ale tensiunii și la oscilații de-frecvență înaltă în timpul comutării; aceasta crește stresul de tensiune asupra dispozitivelor și impune cerințe suplimentare pentru controlul EMI al sistemului.

 

Prin urmare, în echipamentele de-conversie a puterii mari, selectarea barelor nu se mai poate baza doar pe capacitatea de transport curent-; De asemenea, trebuie luați în considerare factori precum topologia electrică, zona buclei, izolarea interstratului, conductivitatea termică, montarea mecanică și distribuția curentului de înaltă-frecvență. Structurile de-inductanță scăzută au devenit un punct cheie în proiectarea interconexiunii de putere, în special pentru aplicațiile de comutare de-înaltă viteză.
 

 

 

Barele colectoare laminate sunt de obicei formate prin stivuirea, poziționarea și laminarea a două sau mai multe plăci metalice conductoare cu straturi dielectrice izolante într-o configurație specifică. Materialele conductoare obișnuite includ cuprul și aliajele de cupru, deși materiale precum aluminiul pot fi utilizate în funcție de greutate, cost și cerințele actuale-de transportare. Materialele de izolație interstrat trebuie să îndeplinească cerințe stricte privind rezistența dielectrică, rezistența la temperatură, stabilitatea mecanică și fiabilitatea-pe termen lung.

 

În comparație cu barele tradiționale de cupru discrete, avantajul principal al structurii laminate este capacitatea sa de a poziționa căi conductoare de polaritate opusă sau potențiale diferite în proximitate. Când curenții care curg în direcții opuse trec prin conductorii adiacenți, câmpurile lor magnetice respective se anulează parțial unul pe celălalt, reducând astfel energia efectivă a câmpului magnetic și inductanța parazită a buclei de comutație.

 

Pentru convertoarele de-putere mare, această structură este deosebit de potrivită-pentru a minimiza calea de comutație a curentului dintre magistrala DC și modulele de putere. Cu un design adecvat, o bară nu numai că facilitează transmisia cu curent-înalt, ci și reduce aria buclei de comutație de-frecvență înaltă la nivel structural, creând astfel condiții de operare mai stabile pentru dispozitivele de putere-de mare viteză.

 

Numărul straturilor de bare colectoare variază în funcție de topologia circuitului. De exemplu, un convertor cu două-niveluri poate utiliza o structură cu două-straturi (poli pozitivi și negativi), în timp ce un convertor cu mai multe-niveluri poate necesita straturi suplimentare{-cum ar fi un punct neutru sau alte niveluri potențiale{-rezultând o configurație cu mai multe{-strat, cum ar fi un strat de bare cu trei-straturi. Pe măsură ce numărul de straturi crește, problemele privind izolarea electrică, cuplarea parametrilor paraziți și managementul termic devin mai complexe; în consecință, este necesară o abordare holistică de proiectare adaptată topologiei specifice.

 

 

 

Inductanța parazită în bucla de putere provine în principal din conductorii înșiși, bornele de conectare, structura internă a modulelor de putere și aranjarea spațială a barelor colectoare. Deși proiectanții nu introduc în mod intenționat aceste inductanțe, ele exercită efecte dinamice semnificative în timpul operațiunilor de comutare cu viteză mare-.

 

Pe baza principiilor inductive fundamentale, chiar și inductanța parazită minimă poate genera tensiuni tranzitorii substanțiale atunci când rata de schimbare a curentului este mare. Pentru dispozitivele de comutare cu viteză mare-, o buclă de comutație excesiv de lungă sau o separare mare între căile de curent pozitiv și negativ mărește probabilitatea depășirii tensiunii și a sunetului de-frecvență înaltă.

 

Un accent principal în proiectarea barelor colectoare laminate este reducerea la minimum a distanței dintre căile de curent pozitive și negative și scurtarea distanței de conectare dintre modulele de putere și condensatorii de legătură CC. Optimizarea distanței dintre conductor reduce suprafața închisă de bucla de comutație, facilitând controlul cuplării câmpului magnetic și a inductanței parazitare a buclei.

 

Prin urmare, atunci când proiectează bare laminate pentru convertoare de putere-înaltă, inginerii trebuie să ia în considerare întreaga buclă de comutație, mai degrabă decât să se concentreze doar pe dimensiunile barei. Poziționarea relativă a condensatoarelor, modulelor de putere, terminalelor de conexiune și barelor colectoare influențează parametrii finali ai buclei.

 

 

Inductanța scăzută nu înlătură necesitatea designului termic. Pe măsură ce puterea sistemului crește, sarcina de curent continuă pe bara de distribuție crește; simultan, subiecții de comutare cu viteză mare-înaltă-frecvența înaltă a curentului la piele și efecte de proximitate.

 

La frecvențe mai mari, curentul nu rămâne uniform distribuit pe secțiunea transversală-conductorului, dar tinde să se concentreze în anumite zone de suprafață. Dacă lățimea, grosimea și distanța dintre straturile barei nu sunt proiectate în mod optim, pot apărea probleme precum creșteri localizate ale densității curentului și creșteri concentrate de temperatură.

 

Prin urmare, proiectarea secțiunii transversale-barelor colectoare necesită echilibrarea capacității de purtare a curentului-, pierderile de curent alternativ, rezistența mecanică și condițiile de disipare a căldurii. Pentru convertoarele de stocare a energiei de mare-putere, pe lângă calcularea capacității de purtare a curentului continuu-, este esențial să se ia în considerare variațiile rezistenței AC la frecvențele reale de funcționare și să se verifice proiectarea prin testarea creșterii temperaturii.

 

În timp ce o structură laminată poate reduce zona buclei de curent, structura de izolație cu mai multe-strat poate modifica calea de disipare a căldurii de la conductor la exterior. În consecință, în timpul procesului de proiectare trebuie luați în considerare factori precum grosimea stratului de cupru, materialul izolator, metodele de montare și condițiile exterioare de răcire. Pot fi necesare strategii de proiectare termică diferite pentru structurile de bare colectoare, în funcție de dacă echipamentul utilizează răcire naturală, răcire forțată-aerului sau răcire lichidă.

 

 

În sistemele actuale, inductanța parazită nu este limitată la corpul principal al barei colectoare; parametrii paraziți semnificativi pot apărea și în zonele de conectare dintre bara de distribuție și componente precum modulele de putere, condensatorii și alte părți electrice.

 

Șuruburile de conectare, tranzițiile terminalelor, îndoirile localizate și modificările bruște ale secțiunii-conductoarelor pot modifica traseul curent. Dacă punctul de conectare este departe de dispozitivul de alimentare, întreaga buclă de comutație poate prezenta în continuare o inductanță parazită substanțială, chiar dacă bara principală folosește o structură laminată cu inductanță redusă-.

 

Prin urmare, proiectele de inginerie ar trebui să minimizeze structurile de tranziție inutile și să asigure continuitatea căilor de curent de-înaltă frecvență. Pentru sistemele care necesită conexiuni în mai multe-puncte, simetria geometrică între ramificații paralele trebuie menținută cât mai mult posibil pentru a asigura traseul electric și caracteristicile de impedanță similare între ramificații.

 

Principii de proiectare similare sunt aplicate în domenii precum barele colectoare laminate pentru vehicule electrice și sistemele de propulsie electrică de înaltă tensiune. Pe măsură ce sistemele de acționare electrică evoluează către tensiuni și densități de putere mai ridicate, barele colectoare nu trebuie doar să îndeplinească cerințele de transmisie de-curenți mari, ci și să se adapteze la spațiul de instalare limitat și la structurile mecanice complexe.

 

 

În echipamentele industriale practice, barele colectoare sunt rareori situate în spații de instalare obișnuite, deschise. Constrângerile spațiale stricte impuse de modulele de putere, condensatorii, radiatoarele, plăcile de control și componentele structurale necesită adesea configurații de bare colectoare care implică coturi, decupaje, ramificații și conexiuni multi-strat. Pentru barele colectoare laminate utilizate în instalații complexe, accentul de proiectare se extinde dincolo de dimensiunile conductorului pentru a include precizia de aliniere între straturi, limitele izolației și consistența interfețelor de montare.

 

Găurile și decupările din bara de distribuție modifică traseele locale ale curentului. Dacă aceste caracteristici sunt situate în apropierea zonelor de comutație primară, curentul poate fi forțat să se devieze în jurul lor, afectând astfel densitatea curentului local și parametrii paraziți. În consecință, locația, dimensiunea și tratamentul marginilor deschiderilor trebuie evaluate în timpul fazei de proiectare structurală pentru a preveni ca cerințele de montare mecanică să afecteze negativ performanța electrică.

 

În sistemele de-înaltă tensiune, trebuie abordată și concentrația câmpului electric la marginile conductorilor și la interfețele de izolație. Utilizarea corectă a razelor, teșiturilor și încapsulării izolației poate atenua îmbunătățirea câmpului electric local și poate reduce riscul de defecțiune a izolației în timpul funcționării pe termen lung-.

 

 

Când tensiunile magistralei DC ating niveluri de câteva sute de volți sau mai mari, designul barelor de distribuție transcende transmisia simplă de curent; trebuie să ia în considerare, de asemenea, spațiul liber, distanța de curgere, rezistența dielectrică și fiabilitatea-izolației pe termen lung.

 

În invertoarele de-tensiune înaltă, materialul de izolație dintre straturile conductorului trebuie să reziste atât la tensiunea de funcționare continuă, cât și la solicitarea repetitivă de tensiune cauzată de tranzitorii de comutare. Pentru echipamente specializate-cum ar fi de înaltă-tensiune,-barele colectoare cu invertor-, designul structural trebuie să se alinieze, de asemenea, cu ratingurile de protecție la pătrunderea echipamentelor (IP), condițiile de mediu și standardele de siguranță.

 

Selectarea materialului de izolație trebuie să ia în considerare-temperatura de funcționare pe termen lung, rezistența dielectrică, rezistența mecanică, rezistența la umiditate și caracteristicile de îmbătrânire. Pentru sistemele de comutare cu-frecvență înaltă,-viteză mare, stabilitatea pe termen lung-materialului sub solicitări repetitive dv/dt este, de asemenea, o considerație critică.

 

În același timp, simpla maximizare a grosimii izolației nu este abordarea optimă. Izolația excesiv de groasă mărește distanța dintre conductori, mărind astfel zona buclei de comutație și potențial creșterea inductanței parazitare. Prin urmare, proiectarea practică necesită atingerea unui echilibru rezonabil între marjele de siguranță a izolației și obiectivul de a minimiza inductanța.

 

 

 

Pe măsură ce echipamentele de conversie a puterii de medie- și-tensiune evoluează, topologiile pe mai multe niveluri sunt din ce în ce mai adoptate în convertoarele de stocare a energiei, convertizoarele de frecvență variabilă-industriale (VFD) și sistemele electronice de putere de-înaltă tensiune. În timp ce structurile cu trei-niveluri permit distribuirea tensiunii de tensiune asupra componentelor pe mai multe niveluri de potențial, ele introduc, de asemenea, o complexitate mai mare structurii barelor colectoare. Când se proiectează bare laminate pentru invertoare cu trei-nivele, bara trebuie să gestioneze în mod obișnuit conexiunile electrice care implică bornele pozitive, neutre și negative simultan. Deoarece căile de comutație curente se pot deplasa în funcție de starea de funcționare, designul barelor nu poate fi optimizat pentru o singură stare; în schimb, trebuie să găzduiască bucle de comutație în toate stările de comutare primară.

 

Eforturile de proiectare prioritizează, de asemenea, menținerea simetriei geometrice între ramurile de putere. Diferențele semnificative ale lungimii căii dintre ramurile paralele pot duce la distribuția dinamică neuniformă a curentului, determinând anumite componente să suporte sarcini de curent mai mari și stres termic.

 

Acesta este un motiv cheie pentru care barele colectoare compozite multi-strat sunt foarte valoroase în echipamentele de-înaltă putere. Prin combinarea mai multor straturi de conductori cu materiale izolatoare, aceste bare permit conexiuni compacte care implică mai multe potențiale de tensiune și ramificații într-o amprentă limitată, oferind în același timp o mai mare flexibilitate de proiectare în ceea ce privește controlul inductanței și aspectul mecanic.

 

 

Aplicarea barelor colectoare laminate s-a extins dincolo de sursele de alimentare industriale tradiționale în sectoare precum stocarea energiei, automobile, telecomunicații, computere, transport feroviar și mașini industriale de ultimă generație.

 

În convertizoarele de frecvență variabilă (VFD) și sistemele de control al motoarelor, barele colectoare cu inductanță joasă-scurtează calea de comutație de-frecvență înaltă între componentele de putere și condensatorii-DC link; în consecință, barele colectoare laminate sunt o alegere standard pentru arhitecturile VFD. Pentru controlerele de motoare de-putere mare, proiectele trebuie să țină cont și de capacitatea de transport-de curent mare, ciclul termic și vibrațiile mecanice.

 

Centrele de date și sistemele de calcul-de înaltă performanță necesită adesea o densitate mare de putere și un spațiu de instalare compact. Barele colectoare pot fi aranjate în configurații multi-strat în interiorul dulapurilor pentru a servi sursele de alimentare ale serverului, panourile de bază și rețelele de distribuție a energiei. În aceste medii, barele colectoare laminate pentru plăcile de circuite supercomputer sau backplane trebuie să echilibreze constrângerile de spațiu și densitatea mare de curent cu cerințele de compatibilitate electromagnetică (EMC) între sistemele de semnal și de alimentare.

 

Infrastructura de telecomunicații prezintă cerințe similare. Stațiile de bază, routerele și echipamentele de alimentare pentru telecomunicații necesită adesea interconectarea mai multor module de putere într-un spațiu structural limitat, necesitând design-uri de bare care facilitează instalarea modulară și furnizarea de energie cu impedanță redusă-. În astfel de echipamente, barele colectoare laminate concepute pentru distribuția de energie a stației de bază celulare sunt utilizate pentru a crea căi compacte de distribuție a energiei. Pentru servere și echipamente de comunicații, barele de distribuție a unității de distribuție a energiei (PDU) servesc de obicei ca puncte centralizate de distribuție a energiei pentru mai multe ramuri de sarcină; designul lor structural trebuie să acorde prioritate-capacitatei de transport curent, creșterii temperaturii, izolației și ușurinței întreținerii.

 

 

Vehiculele cu energie nouă (NEV) reprezintă o zonă cheie de aplicație pentru structurile de interconectare în curent continuu cu putere mare-. Pe măsură ce nivelurile de tensiune ale sistemelor de acționare electrică cresc și densitățile de putere cresc, cablajele tradiționale și metodele de conectare distribuite se confruntă cu limitări în ceea ce privește spațiul, capacitatea de curent-și managementul termic.

 

Barele colectoare din NEV conectează de obicei sisteme de baterii, invertoare, controlere de motoare și alte componente de-înaltă tensiune; în consecință, proiectarea lor structurală trebuie să abordeze simultan capacitatea de curent-, izolarea electrică, durabilitatea vibrațiilor și aspectul spațial.

 

Sistemele de stocare a energiei pun un accent mai mare pe fiabilitatea operațională{0}}pe termen lung. Convertoarele de stocare a energiei la scară mare-tratează adesea tensiuni înalte și curenți mari, iar structurile de bare colectoare influențează direct performanța conexiunii dintre modulele de putere, condensatorii și alte unități electrice. O structură laminată bine proiectată-permite bucle de putere mai scurte într-un spațiu limitat și facilitează instalarea modulară a echipamentelor.

 

Pentru sursele de alimentare cu comutare de{0}}frecvență înaltă și echipamente de conversie a puterii-înalte, proiectele cu inductanță scăzută- ajută la atenuarea depășirii tensiunii și a oscilațiilor de-frecvență înaltă cauzate de tranzitorii de comutare, creând astfel un mediu electric mai controlat pentru funcționarea stabilă a dispozitivelor de alimentare.

 

 

 

Sistemele de tracțiune de tranzit feroviar se caracterizează prin putere mare, funcționare prelungită și medii mecanice complexe; structurile lor de interconectare a puterii trebuie să reziste la curenți mari, precum și la vibrații mecanice continue și cicluri termice.

 

În aceste sisteme, barele colectoare laminate sunt utilizate pentru conexiunile interne de alimentare în interiorul echipamentelor, cum ar fi convertoarele de tracțiune și sursele de alimentare auxiliare. Pe lângă îndeplinirea cerințelor de performanță electrică, aceste bare colectoare trebuie să țină cont de constrângerile de spațiu pentru echipamente, de montarea mecanică, de siguranța izolației și de mediul de operare pe termen lung-.

 

În mod similar, structurile de bare colectoare din echipamentele de tracțiune și convertoare industriale sunt adesea personalizate pe baza poziționării modulelor de putere, condensatoarelor și componentelor de disipare a căldurii. Pentru echipamentele cu spațiu-constrâns, structurile multi-strat îmbunătățesc integrarea conexiunilor de alimentare și reduc amprenta spațială asociată cablajului tradițional. Designul cu-inductanță scăzută trece de la optimizarea unui singur parametru la o sinergie la nivel de sistem-holist.

 

Odată cu adoptarea din ce în ce mai mare a dispozitivelor de putere cu bandă interzisă-largă, cum ar fi SiC și GaN-, care permit viteze de comutare și frecvențe de operare mai mari,-designul barelor colectoare evoluează de la „designul tradițional al secțiunii transversale-transportoare de curent- la o abordare sinergică care integrează considerații electrice, termice și mecanice de izolație.

 

Proiectele viitoare de bare colectoare nu trebuie doar să minimizeze inductanța parazită, ci și să gestioneze pierderile de curent alternativ, creșterea temperaturii, distribuția câmpului electric și stresul mecanic. În special în sistemele de-înaltă frecvență, bara colectoare funcționează ca parte integrantă a buclei de putere, geometria sa influențând direct comportamentul electric dinamic al sistemului.

 

Simultan, tehnologia de fabricare a barelor colectoare avansează către niveluri mai înalte de integrare, încorporând caracteristici precum condensatori încorporați, senzori integrați, structuri complexe de conductor 3D și tehnici de turnare de precizie a izolației. Aceste tehnologii permit bucle de putere mai scurte și o utilizare îmbunătățită a spațiului, oferind în același timp o bază structurală pentru monitorizarea stării echipamentelor.

 

Din punct de vedere ingineresc, proiectareabare colectoare laminate cu{0}}inductanță scăzutănu este doar despre atingerea celei mai mici valori posibile a inductanței; mai degrabă, necesită determinarea unui interval țintă adecvat pe baza unor factori precum dispozitivele de alimentare, tensiunea de funcționare, frecvența de comutare, managementul termic și cerințele de izolație. Numai prin co-proiectarea barei colectoare cu întreaga buclă de putere poate fi realizat întregul potențial al structurii laminate în sistemele electronice de putere-înaltă.

 

În general, barele colectoare laminate au evoluat de la conectori simpli de-curenți mari la componente structurale critice din echipamentele electronice de putere-înaltă. Valoarea lor constă în principal în caracteristici precum inductanța parazită scăzută, conexiuni compacte de alimentare, căi de curent controlabile și design de izolație de-înaltă tensiune. La aprovizionarea acestor componente, inginerii ar trebui să evalueze cuprinzător materialele, designul structural și capacitățile de producție personalizate, ținând cont de tensiunea sistemului, curentul, frecvența de comutare, spațiul de instalare, cerințele de izolație și procesele de producție în masă.