Laminuotos šynos PV-plius-Saugojimo ir didelės-galios elektroninėse sistemose: mažos išsklaidytos induktyvumo ir patikimumo dizaino tendencijos

Galios elektroninėms sistemoms,{0}}pavyzdžiui, fotovoltinės energijos generavimo, energijos kaupimo keitiklių, elektra varomų transporto priemonių ir geležinkelių transporto{1}}sistemoms tobulėjant link didesnio galios tankio ir didesnio perjungimo dažnio, maitinimo įrenginių perjungimo greitis padidėjo. Dėl to vidinių parazitinių parametrų įtaka veiklos našumui tampa vis reikšmingesnė. Atsižvelgiant į tai, laminuotos šynos iš paprastų energijos perdavimo jungčių tapo svarbiais konstrukciniais komponentais, turinčiais įtakos galios kilpos induktyvumui, įtampos viršijimui, šilumos valdymui ir elektromagnetiniam suderinamumui (EMC).

 

Tradiciniuose galios keitikliuose šynos pirmiausia yra skirtos nuolatinės srovės galiai perduoti ir elektros jungtims tarp įvairių maitinimo blokų. Tačiau kai sistemose naudojami didelės spartos maitinimo įrenginiai, pvz., IGBT, SiC MOSFET arba GaN įrenginiai, perjungimo pereinamųjų procesų metu generuojami dideli di/dt ir dv/dt sustiprina parazitinių parametrų poveikį maitinimo kilpoje. Jei šynų konstrukcija yra blogai suprojektuota, didelis kilpos kintamasis induktyvumas gali sukelti ryškų įtampos viršijimą ir aukšto -dažnio virpesius perjungimo metu; tai padidina įtampą įrenginiuose ir kelia papildomų reikalavimų sistemos EMI valdymui.

 

Todėl didelės-galios konvertavimo įrangoje šynų pasirinkimas nebegali būti pagrįstas tik dabartine-laida; Taip pat reikia atsižvelgti į tokius veiksnius kaip elektrinė topologija, kilpos plotas, tarpsluoksnių izoliacija, šilumos laidumas, mechaninis montavimas ir aukšto -dažnio srovės pasiskirstymas. Mažos-induktyvumo struktūros tapo pagrindiniu energijos sujungimo projektavimo akcentu, ypač didelio greičio{5}}perjungimo programoms.
 

 

 

Laminuotos šynos paprastai formuojamos sukraunant, išdėstant ir laminuojant dvi ar daugiau laidžių metalinių plokščių su izoliuojančiais dielektriniais sluoksniais tam tikroje konfigūracijoje. Įprastos laidininkų medžiagos yra varis ir vario lydiniai, nors gali būti naudojamos tokios medžiagos kaip aliuminis, atsižvelgiant į svorį, kainą ir esamus reikalavimus. Tarpsluoksnės izoliacinės medžiagos turi atitikti griežtus dielektrinio stiprumo, atsparumo temperatūrai, mechaninio stabilumo ir ilgalaikio -patikimumo reikalavimus.

 

Palyginti su tradicinėmis diskrečiojomis varinėmis šynomis, pagrindinis laminuotos konstrukcijos pranašumas yra jos gebėjimas išdėstyti priešingo poliškumo ar skirtingų potencialų laidžius takus arti. Kai srovės, tekančios priešingomis kryptimis, praeina per gretimus laidininkus, jų atitinkami magnetiniai laukai iš dalies panaikina vienas kitą, taip sumažindami efektyviąją magnetinio lauko energiją ir komutavimo kilpos parazitinį induktyvumą.

 

Didelės{0}}galios keitikliams ši struktūra ypač tinka-sumažinti srovės komutavimo kelią tarp nuolatinės srovės magistralės ir maitinimo modulių. Tinkamai suprojektavus, šynos ne tik palengvina didelės-srovės perdavimą, bet ir sumažina aukšto-dažnio komutavimo kilpos plotą konstrukciniu lygmeniu, taip sukurdamos stabilesnes didelio greičio{5}}galios įrenginių veikimo sąlygas.

 

Šynų sluoksnių skaičius skiriasi priklausomai nuo grandinės topologijos. Pavyzdžiui, dviejų-pakopų keitiklis gali naudoti dviejų-sluoksnių struktūrą (teigiamą ir neigiamą polius), o kelių lygių keitikliui gali prireikti papildomų sluoksnių-, pvz., neutralaus taško ar kitų potencialių lygių,{5}}kurie susidaro kelių{6} sluoksnių konfigūracija, pvz., trijų{{7} sluoksnių šynų sluoksnis. Didėjant sluoksnių skaičiui, elektros izoliacijos, parazitinių parametrų sujungimo ir šilumos valdymo klausimai tampa sudėtingesni; todėl reikalingas holistinis projektavimo metodas, pritaikytas konkrečiai topologijai.

 

 

 

Klaidžioji induktyvumas galios kilpoje pirmiausia atsiranda dėl pačių laidininkų, jungčių gnybtų, galios modulių vidinės struktūros ir erdvinio šynų išdėstymo. Nors dizaineriai sąmoningai neįveda šių induktyvybių, jie daro didelį dinaminį poveikį didelės spartos perjungimo operacijoms.

 

Remiantis pagrindiniais indukciniais principais, net ir minimalus parazitinis induktyvumas gali sukurti didelę pereinamąją įtampą, kai srovės kitimo greitis yra didelis. Didelės spartos perjungimo įrenginiams pernelyg ilga komutavimo kilpa arba didelis atstumas tarp teigiamų ir neigiamų srovės takų padidina įtampos viršijimo ir aukšto -dažnio skambėjimo tikimybę.

 

Pagrindinis laminuotų šynų dizaino tikslas yra sumažinti atstumą tarp teigiamų ir neigiamų srovės takų ir sutrumpinti atstumą tarp maitinimo modulių ir nuolatinės srovės jungties kondensatorių. Optimizavus tarpą tarp laidininkų, sumažėja komutavimo kilpos uždarytas plotas, todėl lengviau valdyti magnetinio lauko jungtį ir kilpos parazitinį induktyvumą.

 

Todėl kurdami laminuotas šynas didelės-galios keitikliams, inžinieriai turi atsižvelgti į visą komutavimo kilpą, o ne sutelkti dėmesį tik į šynų matmenis. Santykinė kondensatorių, maitinimo modulių, jungčių gnybtų ir šynų padėtis turi įtakos galutiniams kilpos parametrams.

 

 

Mažas induktyvumas nepanaikina šilumos projektavimo poreikio. Didėjant sistemos galiai, nuolatinė srovės apkrova šynai didėja; tuo pačiu metu didelės-greitos perjungimo objektai yra didelio-dažnio srovės paskirstymas odai ir artumo efektai.

 

Esant aukštesniems dažniams, srovė nelieka tolygiai paskirstyta visame laidininko skerspjūvyje{0}}, bet linkusi koncentruotis tam tikrose paviršiaus srityse. Jei šynos plotis, storis ir atstumas tarp sluoksnių nėra optimaliai suprojektuoti, gali kilti problemų, tokių kaip vietinis srovės tankio padidėjimas ir koncentruotas temperatūros kilimas.

 

Todėl projektuojant šynų skerspjūvį-reikia subalansuoti srovės-laidumą, kintamosios srovės nuostolius, mechaninį stiprumą ir šilumos išsklaidymo sąlygas. Didelės-galios energijos kaupimo keitikliams, be nuolatinės srovės-laidumo apskaičiavimo, būtina atsižvelgti į kintamosios srovės varžos pokyčius esant faktiniams veikimo dažniams ir patikrinti konstrukciją atliekant temperatūros kilimo bandymus.

 

Nors laminuota konstrukcija gali sumažinti srovės kilpos plotą, daugiasluoksnė izoliacinė konstrukcija gali pakeisti šilumos išsklaidymo kelią iš laidininko į išorę. Vadinasi, projektuojant reikia atsižvelgti į tokius veiksnius kaip vario sluoksnio storis, izoliacinė medžiaga, montavimo būdai ir išorinės aušinimo sąlygos. Šynų konstrukcijoms gali prireikti skirtingų terminio projektavimo strategijų, atsižvelgiant į tai, ar įrangoje naudojamas natūralus aušinimas, priverstinis -oro aušinimas, ar aušinimas skysčiu.

 

 

Faktinėse sistemose parazitinis induktyvumas neapsiriboja pagrindine šynos korpusu; reikšmingi parazitiniai parametrai taip pat gali atsirasti jungčių zonose tarp šynų ir komponentų, tokių kaip maitinimo moduliai, kondensatoriai ir kitos elektros dalys.

 

Sujungimo varžtai, gnybtų perėjimai, lokalizuoti posūkiai ir staigūs laidininko skerspjūvio{0}} pokyčiai gali pakeisti srovės kelią. Jei prijungimo taškas yra toli nuo maitinimo įrenginio, visa komutavimo kilpa vis tiek gali turėti didelį parazitinį induktyvumą, net jei pagrindinėje šynoje naudojama mažo -induktyvumo laminuota struktūra.

 

Todėl inžineriniai projektai turėtų sumažinti nereikalingas perėjimo struktūras ir užtikrinti aukšto{0}}dažnio srovės kelių tęstinumą. Sistemoms, kurioms reikia kelių taškų jungčių, geometrinė simetrija tarp lygiagrečių atšakų turėtų būti kuo didesnė, kad būtų užtikrintas panašus elektros kelias ir impedanso charakteristikos šakose.

 

Panašūs projektavimo principai taikomi tokiose srityse, kaip laminuotos elektrinių transporto priemonių šynos ir aukštos{0} įtampos elektrinės pavaros sistemos. Elektros pavaros sistemoms tobulėjant link didesnės įtampos ir galios tankio, šynos turi atitikti ne tik aukštus -srovių perdavimo reikalavimus, bet ir prisitaikyti prie ribotos įrengimo vietos ir sudėtingų mechaninių konstrukcijų.

 

 

Praktinėje pramoninėje įrangoje šynos retai įrengiamos įprastose atvirose instaliacinėse erdvėse. Dėl griežtų erdvinių apribojimų, kuriuos nustato galios moduliai, kondensatoriai, radiatoriai, valdymo plokštės ir konstrukciniai komponentai, dažnai reikia šynų konfigūracijos, apimančios posūkius, išpjovas, šakas ir kelių sluoksnių jungtis. Sudėtinguose įrenginiuose naudojamų laminuotų šynų projektavimas apima ne tik laidininkų matmenis, bet ir sluoksnių išlygiavimo tikslumą, izoliacijos ribas ir tvirtinimo sąsajų nuoseklumą.

 

Skylės ir išpjovos šynoje keičia vietinės srovės kelius. Jei šios savybės yra šalia pirminių komutacijos zonų, srovė gali būti priversta nukreipti aplink jas ir taip paveikti vietos srovės tankį ir parazitinius parametrus. Todėl angų vieta, dydis ir kraštų apdorojimas turi būti įvertinti konstrukcijos projektavimo etape, kad būtų išvengta mechaninio montavimo reikalavimų neigiamo poveikio elektros kokybei.

 

Aukštos{0}}įtampos sistemose taip pat reikia atsižvelgti į elektrinio lauko koncentraciją laidininkų kraštuose ir izoliacijos sąsajose. Tinkamai naudojant spindulius, nusklembimus ir izoliacijos apvalkalą galima sumažinti vietinio elektrinio lauko stiprėjimą ir sumažinti izoliacijos gedimo riziką ilgalaikio naudojimo metu.

 

 

Kai nuolatinės srovės magistralės įtampa pasiekia kelis šimtus voltų ar daugiau, šynų konstrukcija pranoksta paprastą srovės perdavimą; jame taip pat turi būti atsižvelgiama į tarpą, valkšnumo atstumą, dielektrinį stiprumą ir ilgalaikį -izoliacijos patikimumą.

 

Aukštos -įtampos keitikliuose izoliacinė medžiaga tarp laidininko sluoksnių turi atlaikyti ir nuolatinę darbinę įtampą, ir pasikartojančius įtampos įtempius, kuriuos sukelia perjungimo pereinamieji procesai. Specialios įrangos,-pvz., aukštos-įtampos, sprogimui{4}}atsparių keitiklių šynų-konstrukcinė konstrukcija taip pat turi atitikti įrangos apsaugos nuo patekimo (IP) reitingus, aplinkos sąlygas ir saugos standartus.

 

Renkantis izoliacinę medžiagą reikia atsižvelgti į ilgalaikę -darbo temperatūrą, dielektrinį stiprumą, mechaninį stiprumą, atsparumą drėgmei ir senėjimo charakteristikas. Naudojant aukšto-dažnio, didelio{3}}greičio perjungimo sistemas, medžiagos ilgalaikis stabilumas-pakartotinai veikiant dv/dt įtempiams taip pat labai svarbus.

 

Tuo pačiu metu tiesiog padidinti izoliacijos storį nėra optimalus būdas. Pernelyg stora izoliacija padidina atstumą tarp laidininkų, taip padidindama komutavimo kilpos plotą ir potencialiai padidindama parazitinį induktyvumą. Todėl praktiškam projektavimui reikia rasti pagrįstą pusiausvyrą tarp izoliacijos saugos ribos ir tikslo sumažinti induktyvumą.

 

 

 

Tobulėjant vidutinės{0}} ir aukštos{1} įtampos galios konvertavimo įrangai, energijos kaupimo keitikliuose, pramoniniuose kintamo-dažnio pavarose (VFD) ir aukštos-įtampos galios elektronikos sistemose vis dažniau taikomos kelių lygių topologijos. Nors trijų lygių struktūros leidžia paskirstyti komponentų įtampą keliais potencialų lygiais, jos taip pat padidina šynų struktūros sudėtingumą. Projektuojant laminuotas šynas trijų lygių keitikliams, šynos paprastai turi valdyti elektros jungtis, apimančias teigiamus, neutralius ir neigiamus gnybtus vienu metu. Kadangi srovės komutavimo keliai gali keistis priklausomai nuo veikimo būsenos, šynų konstrukcijos negalima optimizuoti tik vienai būsenai; vietoj to jis turi pritaikyti komutavimo kilpas visose pirminėse perjungimo būsenose.

 

Projektavimo pastangos taip pat teikia pirmenybę geometrinės simetrijos palaikymui visose galios šakose. Dėl didelių kelio ilgio skirtumų tarp lygiagrečių šakų gali atsirasti netolygus dinaminis srovės pasiskirstymas, todėl tam tikri komponentai gali atlaikyti didesnes srovės apkrovas ir šiluminę įtampą.

 

Tai yra pagrindinė priežastis, kodėl daugiasluoksnės kompozitinės šynos yra labai vertingos- didelės galios įrangoje. Sujungus kelis laidininkų sluoksnius su izoliacinėmis medžiagomis, šios šynos įgalina kompaktiškas jungtis, apimančias daugybę įtampos potencialų ir šakų riboto ploto ribose, tuo pačiu suteikiant didesnį dizaino lankstumą, susijusią su induktyvumo valdymu ir mechaniniu išdėstymu.

 

 

Laminuotų šynų taikymas išplito ne tik tradiciniuose pramoniniuose maitinimo šaltiniuose, bet ir tokiuose sektoriuose kaip energijos kaupimas, automobiliai, telekomunikacijos, kompiuterija, geležinkelių transportas ir aukščiausios klasės{0}}pramoninės mašinos.

 

Kintamo dažnio pavarose (VFD) ir variklio valdymo sistemose žemo-induktyvumo šynos sutrumpina aukšto-dažnio komutavimo kelią tarp maitinimo komponentų ir nuolatinės srovės{2}}linkos kondensatorių; todėl laminuotos šynos yra standartinis pasirinkimas VFD architektūroms. Didelės-galios variklių valdiklių konstrukcijose taip pat turi būti atsižvelgiama į didelę srovės{5}}laidumą, šiluminį ciklą ir mechaninę vibraciją.

 

Duomenų centrams ir didelio našumo{0}}kompiuterinėms sistemoms dažnai reikia didelio energijos tankio ir kompaktiško įrengimo. Šynos gali būti išdėstytos kelių sluoksnių konfigūracijose spintelėse, kad būtų galima aptarnauti serverio maitinimo šaltinius, užpakalines plokštes ir elektros paskirstymo tinklus. Tokiose aplinkose laminuotos superkompiuterių grandinių plokščių arba galinių plokščių šynos turi suderinti erdvės apribojimus ir didelį srovės tankį su elektromagnetinio suderinamumo (EMC) reikalavimais tarp signalų ir maitinimo sistemų.

 

Telekomunikacijų infrastruktūrai keliami panašūs reikalavimai. Bazinėms stotims, maršrutizatoriams ir telekomunikacijų maitinimo įrangai dažnai reikia sujungti kelis maitinimo modulius ribotoje struktūrinėje erdvėje, todėl reikia sukurti šynų konstrukcijas, kurios palengvintų modulinį įrengimą ir mažos varžos energijos tiekimą. Tokioje įrangoje laminuotos šynos, skirtos korinio bazinių stočių energijos paskirstymui, naudojamos kompaktiškiems energijos paskirstymo takams sukurti. Serveriams ir ryšio įrangai galios paskirstymo bloko (PDU) šynos paprastai tarnauja kaip centralizuoti energijos paskirstymo taškai kelioms apkrovos šakoms; jų konstrukcijoje pirmenybė turi būti teikiama-srovei, temperatūros kilimui, izoliacijai ir priežiūrai.

 

 

Naujos energijos transporto priemonės (NEV) yra pagrindinė didelės{0}}galios nuolatinės srovės sujungimo struktūrų taikymo sritis. Didėjant elektrinių pavarų sistemų įtampos lygiams ir didėjant galios tankiui, tradiciniai laidai ir paskirstyti jungimo būdai susiduria su erdvės, srovės -laidos ir šilumos valdymo apribojimais.

 

NEV šynos paprastai jungia akumuliatorių sistemas, keitiklius, variklio valdiklius ir kitus aukštos{0} įtampos komponentus; vadinasi, jų konstrukcinis dizainas turi tuo pat metu atsižvelgti į srovės-laidumą, elektros izoliaciją, atsparumą vibracijai ir erdvinį išdėstymą.

 

Energijos kaupimo sistemose daugiau dėmesio skiriama ilgalaikiam{0}} veikimo patikimumui. Didelio masto energijos kaupimo keitikliai dažnai valdo aukštą įtampą ir didelę srovę, o šynų konstrukcijos tiesiogiai veikia maitinimo modulių, kondensatorių ir kitų elektros mazgų jungčių našumą. Gerai-suprojektuota laminuota konstrukcija leidžia trumpesnius maitinimo kontūrus ribotoje erdvėje ir palengvina modulinį įrangos montavimą.

 

Aukšto-dažnio perjungimo maitinimo šaltiniams ir didelės-galios konvertavimo įrangai mažos-induktyvumo konstrukcijos padeda sumažinti įtampos viršijimą ir aukšto-dažnio virpesius, atsirandančius dėl perjungimo pereinamųjų procesų, taip sukuriant labiau kontroliuojamą elektros aplinką stabiliam maitinimo įrenginių veikimui.

 

 

 

Tranzitinės geležinkelių traukos sistemoms būdinga didelė galia, ilgas veikimas ir sudėtinga mechaninė aplinka; jų galios sujungimo konstrukcijos turi atlaikyti dideles sroves, taip pat nuolatinę mechaninę vibraciją ir terminį ciklą.

 

Šiose sistemose laminuotos šynos naudojamos vidinėms maitinimo jungtims įrangoje, pvz., traukos keitikliuose ir pagalbiniuose maitinimo šaltiniuose. Šios šynos turi atitikti ne tik elektrinio veikimo reikalavimus, bet ir atsižvelgti į įrangos erdvės apribojimus, mechaninį montavimą, izoliacijos saugą ir ilgalaikę{1}} darbo aplinką.

 

Panašiai, traukos ir pramoninių keitiklių įrangos šynų konstrukcijos dažnai pritaikomos pagal galios modulių, kondensatorių ir šilumos išsklaidymo komponentų padėtį. Įrenginiams, kurių erdvė-apribota, daugiasluoksnės struktūros pagerina maitinimo jungčių integravimą ir sumažina vietos, susijusios su tradiciniu kabeliu, kiekį. Mažo-induktyvumo dizainas pereina nuo vieno parametro optimizavimo prie holistinės sistemos{5}}lygio sinergijos.

 

Vis dažniau pritaikius plataus{0}}pralaidumo maitinimo įrenginius, tokius kaip SiC ir GaN-, kurie įgalina didesnį perjungimo greitį ir veikimo dažnius,-šynų dizainas keičiasi nuo tradicinio „srovę-nešančio skerspjūvio konstrukcijos“ prie sinergetinio požiūrio, apimančio elektros, šiluminės, mechaninės ir izoliacijos aspektus.

 

Būsimos šynų konstrukcijos turi ne tik sumažinti parazitinį induktyvumą, bet ir valdyti kintamosios srovės nuostolius, temperatūros kilimą, elektrinio lauko pasiskirstymą ir mechaninį įtempį. Ypač aukšto -dažnio sistemose šynos veikia kaip neatsiejama maitinimo grandinės dalis, o jos geometrija tiesiogiai veikia sistemos dinaminę elektrinę elgseną.

 

Tuo pačiu metu šynų gamybos technologija tobulėja link aukštesnio integravimo lygio, įtraukdama tokias funkcijas kaip įterptieji kondensatoriai, integruoti jutikliai, sudėtingos 3D laidų struktūros ir tikslios izoliacijos liejimo technologijos. Šios technologijos leidžia sutrumpinti maitinimo kilpas ir geriau išnaudoti erdvę, tuo pačiu suteikiant struktūrinį pagrindą įrangos būklei stebėti.

 

Inžineriniu požiūriu, projektavimaslaminuotos žemos{0}}induktyvumo šynosnėra vien tik mažiausios įmanomos induktyvumo vertės pasiekimas; veikiau reikia nustatyti tinkamą tikslinį diapazoną, pagrįstą tokiais veiksniais kaip maitinimo įrenginiai, darbinė įtampa, perjungimo dažnis, šilumos valdymas ir izoliacijos reikalavimai. Tik kartu suprojektavus šyną su visa maitinimo kilpa, visas laminuotos konstrukcijos potencialas gali būti išnaudotas didelės-galios galios elektronikos sistemose.

 

Apskritai laminuotos šynos iš paprastų didelės{0}}srovės jungčių tapo svarbiais konstrukciniais komponentais didelės galios{1}}elektroninėje įrangoje. Jų vertė pirmiausia slypi tokiose ypatybėse kaip žemas kintamasis induktyvumas, kompaktiškos maitinimo jungtys, valdomi srovės keliai ir aukštos įtampos izoliacijos dizainas. Įsigydami šiuos komponentus, inžinieriai turėtų visapusiškai įvertinti medžiagas, konstrukcinį dizainą ir pritaikytas gamybos galimybes, atsižvelgdami į sistemos įtampą, srovę, perjungimo dažnį, įrengimo erdvę, izoliacijos reikalavimus ir masinės gamybos procesus.