Razotkrivanje više slojeva, bolja zabluda u laminiranim sabirnicama

S brzim razvojem nove energije, energetske elektronike i industrijske automatizacije, laminirane sabirnice naširoko se koriste u sustavima za pohranu energije, inverterima, novim energetskim vozilima, energetskim modulima i željezničkom transportu zbog svoje niske induktivnosti, visoke integracije i dobrih EMC performansi. Laminirane nisko{3}}induktivne sabirnice postupno su zamijenile tradicionalne kabelske veze, postavši važna komponenta modernih elektroenergetskih sustava, posebno u opremi visoke-frekventnosti,-snage.

 

Međutim, u industriji i dalje postoji uobičajena pogrešna predodžba: da više slojeva u laminiranoj sabirnici nužno znači bolje performanse. U stvarnosti, laminirani dizajn je sustavni inženjerski projekt koji zahtijeva sveobuhvatno razmatranje induktivnosti, rasipanja topline, strukturalnog prostora, troškova i scenarija primjene. Ne postoji apsolutni zaključak da je "više slojeva jednako naprednije."

 

 

 

Laminirane sabirnice obično se sastoje od više slojeva vodljivih bakrenih sabirnica i izolacijskih medija, spojenih postupkom vrućeg -prešanja. To su tipične spojne šipke više-slojne kompozitne strukture. Optimiziranjem udaljenosti i rasporeda između pozitivnih i negativnih terminala, lutajući induktivitet u krugu može se značajno smanjiti, poboljšavajući radnu stabilnost sustava. Trenutno glavne specifikacije u industriji uglavnom se kreću od 2 do 6 slojeva, s različitim brojevima slojeva koji odgovaraju različitim potrebama primjene:

 

2-slojne strukture obično su prikladne za opremu niske- do srednje-snage, nudeći prednosti kao što su zreli proizvodni procesi, niži troškovi i jednostavna instalacija. Obično se nalaze u osnovnim sabirnicama jedinica za distribuciju energije, niskonaponskim pretvaračima i općim industrijskim sustavima za distribuciju električne energije.

 

3-slojne strukture jedno su od najčešće korištenih rješenja. Tro-slojne laminirane sabirnice postižu bolju distribuciju struje i elektromagnetsku zaštitu, nudeći visoku troškovno-učinkovitost u opremi srednje snage. Naširoko se koriste u pretvaračima za pohranu energije, UPS sustavima i novim pomoćnim upravljačkim modulima za energiju.

 

Strukture s 4 ili više slojeva češće se koriste u scenarijima visoke-frekventnosti, velike{2}}snage i složene topologije, kao što su laminirane sabirnice u pretvaračima velike snage, IGBT laminirane sabirnice i veliki-PCS sustavi za pohranu energije. Njihove temeljne prednosti leže u nižem rasipnom induktivitetu, jačim EMC mogućnostima i većoj integraciji sustava.

 

 

 

I. Promjene u električnim performansama

S povećanjem broja slojeva, može se formirati čvršća spojna struktura između pozitivnih i negativnih vodiča, čime se smanjuje lutajući induktivitet. Ovo je osobito važno za visoko{1}}SiC uređaje i-preklopne IGBT module velike brzine.

 

Prilagođene laminirane sabirnice za IGBT obično se fokusiraju na optimizaciju međuslojne strukture sabirnice kako bi se smanjili skokovi napona i EMI smetnje koje se generiraju tijekom prebacivanja.

 

Međutim, povećanje broja slojeva ne mora nužno značiti neograničeno poboljšanje performansi. Previše slojeva može dovesti do povećanog međuslojnog parazitskog kapaciteta, koji, ako parametri nisu pravilno usklađeni, može negativno utjecati na stabilnost sustava. Stoga, pri projektiranju laminirane sabirnice za pretvarač s tri-razine, parametri induktiviteta i kapaciteta moraju biti uravnoteženi istovremeno.

 

II. Promjene u kapacitetu rasipanja topline

Višeslojne strukture mogu proširiti put provođenja topline i područje rasipanja topline, stoga višeslojne sabirnice obično imaju manji porast temperature pod istim -uvjetima provođenja struje.

 

U scenarijima visoke{0}}struje kao što su visokonaponske{1}}inverterske sabirnice otporne na eksploziju, višeslojne strukture mogu učinkovito smanjiti lokalna vruća mjesta i poboljšati dugoročnu-radnu stabilnost.

 

Međutim, u isto vrijeme povećanje broja slojeva također dovodi do povećanja ukupne debljine, zauzimajući više prostora za ugradnju. Stoga je u kompaktnim uređajima potrebno sveobuhvatno razmotriti unutarnji raspored.

 

III. Poboljšane mogućnosti integracije sustava

Jedna od najvećih prednosti laminiranih sabirnica je njihov visok stupanj integracije. U usporedbi s tradicionalnim kabelskim snopovima, više-slojne strukture mogu istovremeno integrirati više strujnih petlji, signalnih petlji i sustava uzemljenja, smanjujući čvorove veze i poboljšavajući pouzdanost sustava.

 

Na primjer:

Laminirane sabirnice za distribuciju električnih stražnjih ploča mogu se koristiti u poslužiteljskim i industrijskim energetskim sustavima.

Laminirane sabirnice za distribuciju stražnje ploče usmjerivača prikladne su za unutarnje napajanje u komunikacijskoj opremi.

Laminirane sabirnice za distribuciju energije mobilne bazne stanice naširoko se koriste u 5G baznim stanicama i komunikacijskim izvorima napajanja.

U složenim okruženjima kabliranja, laminirane sabirnice za složene instalacije sabirnica učinkovito smanjuju potrebe za prostorom i pojednostavljuju postupak instalacije.

 

IV. Strukturna stabilnost i sposobnost zaštite- od smetnji

Više{0}}slojne strukture mogu formirati potpuniju elektromagnetsku zaštitnu petlju, čime se poboljšava sposobnost sustava protiv-smetnji.

 

U područjima novih energetskih vozila, električnih pogonskih sustava i željezničkog prijevoza, sabirnice za upravljanje motorom i laminirane sabirnice podzemne željeznice imaju visoke zahtjeve za EMC učinkovitost. Više-slojne simetrične strukture mogu učinkovito smanjiti trenutne probleme neravnoteže i poboljšati dugoročnu sposobnost stabilnog rada opreme.

 

Za željeznički tranzit i vučne sustave velike-snage, kompozitne sabirnice za napajanje vlakova s ​​četiri-kvadranta energetskih modula također moraju izdržati dinamičke udare, izdržati visoke temperature i održavati visoku izolacijsku učinkovitost.
 

 

Dok sabirnice višeg{0}}sloja nude vrhunske performanse, složenost proizvodnje se u skladu s tim povećava.

 

Dvo{0}} do tro-slojni proizvodi imaju relativno zrele procese, visoke stope prinosa i kontrolirane troškove obrade.

 

Četve-slojni i viši proizvodi postavljaju veće zahtjeve za kontrolu debljine bakrene folije, preciznost izolacije laminacije, vruće{1}}postupke prešanja i simetrični raspored. Ovo posebno vrijedi za specijalizirane strukture poput djelomično laminiranih sabirnica, koje zahtijevaju izuzetno visoku preciznost u obradi lokalne izolacije i vodljivih područja.

 

Nadalje, više{0}}slojne strukture znače:

Povećana potrošnja sirovina;

Složeniji postupci laminiranja;

Stroži standardi testiranja;

Duži ciklusi proizvodnje.

 

Stoga visoko{0}}rješenja nisu nužno prikladna za sve projekte.

 

 

Za opremu male do srednje snage s izlaznom snagom ispod 100 kW obično su dovoljna dva do tri sloja. Ovi scenariji uključuju osnovne aplikacije kao što su opći sustavi za pohranu energije, mali UPS sustavi i sabirnice sustava za neprekidno napajanje (UPS).

 

Za srednje{0}}do-sustave velike snage (100kW do 500kW), struktura od 3 do 4 sloja je prikladnija za uravnoteženje performansi induktivnosti, rasipanja topline i troškova proizvodnje.

 

Za velike{0}}sustave snage koji prelaze 500kW, visoko-frekventne SiC pretvarače i velike sustave za pohranu energije, obično je potrebna struktura od 4 do 6 slojeva kako bi se zadovoljili zahtjevi za nižim induktivitetom, većim EMC mogućnostima i snažnijim rasipanjem topline.

 

Primjeri uključuju:

Laminirana sabirnica za električne automobile;

Visokonaponska inverterska sabirnica-otporna na eksploziju

PCS sustavi-za pohranu energije;

Visok{0}}frekventni pretvarači;

Novi glavni pogonski sustavi energetskih vozila.

 

U složenim krugovima kao što su više{0}}razinske topologije, često je potrebna struktura od 3-do 5 slojeva za laminiranu sabirnicu za pretvarače s tri razine kako bi se postigle simetrične strujne staze i stabilna kontrola dijeljenja struje.

 

 

 

Zabluda 1: Više slojeva nužno znači bolju izvedbu

U stvarnosti, broj slojeva je jedini parametar koji utječe na performanse.

Debljina bakrene sabirnice, izolacijski materijal, raspored strujnog kruga, razmak vodiča i preciznost obrade izravno utječu na konačnu izvedbu.

Slijepo povećanje broja slojeva ne samo da povećava troškove, već također može utjecati na stabilnost opreme zbog promjena u parazitskim parametrima.

 

Zabluda 2: proizvodi niskog-sloja su "ni-rješenja."

Zapravo, za mnoge uređaje male i srednje snage, 2- do 3-slojne strukture su najzrelija, stabilna i isplativa rješenja.

Dobro-dizajnirana tro-slojna laminirana sabirnica može u potpunosti zadovoljiti potrebe većine konvencionalnih industrijskih primjena.

 

Zabluda 3: Proizvodi s istim brojem slojeva imaju istu učinkovitost

Čak i uz isti broj slojeva, još uvijek mogu postojati značajne razlike između različitih dizajna.

Na primjer, raspored bakrene folije, izolacijski materijal, postupak vrućeg{0}}prešanja i simetrija vodiča izravno utječu na performanse sabirnice.

Stvarna izvedba visoko{0}}kvalitetnih bakrenih sabirnica često je daleko bolja od one običnih strukturnih proizvoda.

 

 

 

Kontinuiranim razvojem SiC uređaja, tehnologije visoko-frekventnih pretvarača i sustava za pohranu energije, laminirane sabirnice razvijaju se prema višim frekvencijama, većoj integraciji i većoj profinjenosti.

 

U budućnosti će visoko{0}}elektronička polja kao što su laminirane sabirnice za sklopne ploče superračunala ili zadnje ploče dodatno potaknuti razvoj sabirnica prema visokoj gustoći, minijaturizaciji i prilagodbi.

 

U isto vrijeme, namjenski dizajni sabirnica za nova energetska vozila, energetsku elektroniku i komunikacijsku opremu postat će više segmentirani, pri čemu će industrija stavljati veći naglasak na "prilagodbu aplikacija" umjesto da jednostavno teži povećanju broja slojeva.

 

 

Temeljna vrijednost laminiranih sabirnica ne leži u "više slojeva", već u njihovoj sposobnosti da točno odgovaraju zahtjevima opreme.

 

Razuman dizajn slojeva trebao bi sveobuhvatno uzeti u obzir:

Snaga opreme;

Frekvencija prebacivanja;

EMC zahtjevi;

Kapacitet rasipanja topline;

Prostor za ugradnju;

Trošak proizvodnje;

Dugoročna-operativna stabilnost.

 

Samo znanstvenim dizajnom temeljenim na stvarnim scenarijima primjene mogu se postići prednosti izvedbeLaminirane autobusne šipke, pasivne elektroničke komponente, biti istinski realizirani, postižući optimalnu ravnotežu između učinkovitosti sustava, pouzdanosti i cijene.