پیشرفت‌ها در فناوری مبتکرانه چند لایه

با توسعه سریع وسایل نقلیه انرژی جدید، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، اتوماسیون صنعتی، تجهیزات تبدیل توان و زیرساخت‌های محاسباتی{0} با عملکرد بالا، سیستم‌های الکترونیک قدرت مدرن به‌طور مداوم به سمت چگالی توان بالاتر، فرکانس‌های عملیاتی بالاتر و قابلیت اطمینان بیشتر در حال تکامل هستند. در این زمینه، اجزای انتقال نیرو نه تنها باید بارهای جریان بالا را تحمل کنند، بلکه باید تلفات انرژی را به حداقل برسانند، تأثیر پارامترهای انگلی را کاهش دهند، و پایداری عملیاتی بلندمدت را افزایش دهند.

 

به عنوان اجزای رسانای حیاتی که نیمه‌هادی‌های قدرت، ماژول‌های قدرت و بارها را به هم متصل می‌کنند، شین‌های چند لایه به یک عنصر ساختاری اصلی در تجهیزات الکترونیک قدرت{{0} با کارایی بالا تبدیل شده‌اند. در مقایسه با کابل‌کشی سنتی یا سازه‌های میله مسی تک لایه، شین‌های چند لایه از ترکیب دقیقی از چندین لایه رسانا و رسانه‌های عایق برای دستیابی به مسیرهای جریان کوتاه‌تر، اندوکتانس انگلی کمتر و استفاده برتر از فضا استفاده می‌کنند.

 

با انتقال دستگاه‌های قدرت از IGBT‌های مبتنی بر سیلیکون سنتی به دستگاه‌های سوئیچینگ با سرعت بالا-مانند ماسفت‌های کاربید سیلیکون (SiC)، الزامات سیستم برای ساختارهای شینه به طور فزاینده‌ای سخت‌گیرانه شده‌اند. di/dt بالا (نرخ تغییر جریان) مرتبط با سوئیچینگ با سرعت بالا، اثرات اندوکتانس انگلی را تقویت می‌کند، که منجر به افزایش ولتاژ، تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و تلفات کلیدزنی اضافی می‌شود.

 

در نتیجه، فناوری باسبار چند لایه نوآورانه از یک جزء انتقال انرژی صرف به یک عامل طراحی حیاتی تبدیل شده است که بر کارایی و قابلیت اطمینان کلی سیستم‌های الکترونیک قدرت تأثیر می‌گذارد.

 

 

 

شینه های چند لایه سنتی معمولاً از لایه های هادی مسی، لایه های عایق و ساختار مونتاژ چند لایه تشکیل شده اند. آنها اندوکتانس حلقه را با قرار دادن محکم هادی های مثبت و منفی برای به حداقل رساندن جفت میدان مغناطیسی کاهش می دهند. با این حال، طرح‌های سنتی با محدودیت‌های عملکردی خاصی در برنامه‌های کاربردی-با فرکانس بالا-پرقدرت مواجه هستند.

 

اول، توانایی کنترل اندوکتانس انگلی یک عامل کلیدی موثر بر کارایی سیستم است. در هنگام سوئیچینگ با سرعت بالا دستگاه‌های قدرت مانند IGBT و ماژول‌های SiC، اندوکتانس سرگردان در گذرگاه، ولتاژهای گذرا را ایجاد می‌کند، که بزرگی آن مستقیماً با نرخ تغییر جریان متناسب است. با افزایش فرکانس های عملیاتی سیستم، اندوکتانس ذاتی در ساختارهای سنتی می تواند سرعت سوئیچینگ را محدود کند و از استفاده کامل دستگاه ها از مزایای عملکرد فرکانس بالا جلوگیری کند.

 

دوم، عملکرد{0}قدرت بالا، تقاضاهای فزاینده ای را بر مدیریت حرارتی تحمیل می کند. با افزایش چگالی جریان، گرمایش ژول قابل توجهی در هادی ها اتفاق می افتد، در حالی که گرمای تولید شده توسط ماژول های قدرت به طور همزمان از طریق ساختار اتصال به شینه منتقل می شود. اگر طراحی مدیریت حرارتی ناکافی باشد، کارکرد طولانی مدت در دماهای بالا می تواند خواص مواد را کاهش دهد و طول عمر سیستم را کوتاه کند.

 

علاوه بر این، فضایی برای بهبود عملکرد در مواد رسانا و عایق سنتی وجود دارد. برای مثال، در حالی که هادی های مسی استاندارد رسانایی عالی دارند، محدودیت هایی در مورد کاهش وزن و استحکام مکانیکی دارند. مواد عایق معمولی زمانی که در معرض دماهای بالا، ولتاژهای بالا و چرخه حرارتی طولانی مدت قرار می گیرند، ممکن است از خواص دی الکتریک تخریب شده رنج ببرند.

 

در نتیجه، طراحی شینه‌های چند لایه مدرن نیازمند بهینه‌سازی در ابعاد چندگانه-شامل مواد، ساختار، فرآیندهای ساخت و نظارت هوشمند-برای برآورده ساختن نیازهای-نسل بعدی، با راندمان بالا، الکترونیک قدرت است.

 

 

بهینه سازی مواد یک پایه اساسی برای افزایش عملکرد شینه چند لایه است. تلاش‌های توسعه برای مواد رسانا در درجه اول بر افزایش رسانایی، افزایش خواص مکانیکی و کاهش وزن کلی متمرکز است.

 

مس خالص سنتی به دلیل رسانایی الکتریکی بالا، یک انتخاب کلیدی برای شینه های چند لایه است. با این حال، همانطور که وسایل نقلیه جدید انرژی، سیستم‌های ذخیره انرژی شبکه، و تجهیزات صنعتی به سمت طراحی‌های سبک‌وزن گرایش پیدا می‌کنند، آلیاژهای مس جدید به طور فزاینده‌ای در تولید باسبار با کارایی بالا استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، برخی از آلیاژهای مس، استحکام کششی و مقاومت حرارتی بهبود یافته ای را ارائه می دهند و در عین حال رسانایی بالایی دارند. این اجازه می دهد تا ضخامت هادی بهینه شده، در نتیجه کاهش وزن و بهبود استفاده از فضا.

 

کامپوزیت های مبتنی بر آلومینیوم{0}}همچنین به عنوان مرکز تحقیقات برای برنامه های کاربردی حساس به وزن- در حال ظهور هستند. از طریق فناوری‌های تقویت‌کننده کامپوزیت، این مواد می‌توانند به چگالی کمتری دست یابند و در عین حال عملکرد الکتریکی عالی را حفظ می‌کنند، و برای اتصالات{3}}قدرت بالا در تجهیزات انرژی{{4} در مقیاس بزرگ و دستگاه‌های تلفن همراه مناسب هستند.

 

از نظر عایق، مواد جدید{0}}فیلم با کارایی بالا، شین‌های چند لایه را قادر می‌سازند تا در سطوح ولتاژ بالاتر کار کنند. موادی مانند پلی‌آمید (PI)، رزین‌های اپوکسی اصلاح‌شده، و عایق‌های نانوکامپوزیت، مقاومت دمایی بالاتر، خواص دی‌الکتریک پایدارتر، و قابلیت اطمینان طولانی‌مدت را افزایش می‌دهند و عملکرد مداوم در محیط‌های سخت را تضمین می‌کنند.

 

برای مثال، در تجهیزات صنعتی با فرکانس بالا، شین‌های چند لایه طراحی شده برای درایوهای فرکانس متغیر (VFD) می‌توانند به طور موثر اثرات القایی را کاهش داده و بازده تبدیل توان را از طریق آرایش بهینه هادی و طراحی ساختار عایق بهبود بخشند.

 

به طور همزمان، پیشرفت‌ها در فناوری لایه‌های عایق بسیار نازک{0} قابلیت‌های یکپارچه‌سازی شینه‌ها را افزایش داده است. کاهش فاصله بین لایه‌ها-در حالی که الزامات ایمنی عایق را برآورده می‌کند{3}}لغو میدان‌های مغناطیسی تولید شده توسط هادی‌های مثبت و منفی را افزایش می‌دهد و در نتیجه اندوکتانس کلی انگلی را کاهش می‌دهد.

 

 

 

عملکرد شینه های چند لایه نه تنها به انتخاب مواد بلکه به طراحی ساختار داخلی آنها نیز بستگی دارد.

 

ساختارهای مسطح سنتی به طور فزاینده ای به سمت یکپارچگی سه بعدی-در حال تکامل هستند. بهینه سازی چیدمان لایه های رسانا، به حداقل رساندن طول حلقه جریان و تنظیم نقاط اتصال ترمینال می تواند به طور موثر پارامترهای انگلی را در طول مسیر کموتاسیون فعلی کاهش دهد.

 

در سیستم‌های محرک الکتریکی برای وسایل نقلیه با انرژی جدید، کنترل‌کننده‌های موتور باید هنگام کار با سرعت سوئیچینگ بالا، خروجی جریان{0} پایدار و بالا ارائه دهند. در نتیجه، سازه های شینه باید اندوکتانس کم را با قابلیت اتلاف حرارت بالا متعادل کنند. شینه‌های کنترل‌کننده موتور با طراحی ویژه از مسیرهای رسانای فشرده برای به حداقل رساندن تلفات اتصال بین ماژول‌های قدرت استفاده می‌کنند و در نتیجه کارایی کلی سیستم درایو را افزایش می‌دهند.

 

بهینه سازی ساختاری برای تجهیزات منبع تغذیه صنعتی به همان اندازه حیاتی است. برای مثال، طراحی‌های باسبار با اندوکتانس پایین{1} در کاربردهای توان DC فشرده IGBT باید کوتاه‌ترین مسیر ممکن را بین ماژول IGBT و خازن DC برای کاهش استرس گذرا سوئیچینگ تضمین کنند.

 

علاوه بر این، شینه های چند لایه مدرن به طور فزاینده ای ویژگی های مدیریت حرارتی را در خود جای می دهند. تکنیک‌هایی مانند تعبیه کانال‌های خنک‌کننده داخلی، افزایش سطح اتلاف گرما، یا یکپارچه‌سازی سیستم‌های خنک‌کننده مایع می‌توانند به طور موثر دمای عملیاتی را کاهش داده و چگالی جریان مجاز را افزایش دهند.

 

در تجهیزات ارتباطی داده در مقیاس بزرگ،-معماری‌های توان با چگالی بالا الزامات سخت‌گیری را در مورد فضا و قابلیت اطمینان تحمیل می‌کنند.

 

در نتیجه،شینه های چند لایهطراحی شده برای بردهای مدار سوپرکامپیوتر یا هواپیماهای پشتی باید توزیع پایدار و بالا{0}توان در فضاهای محدود را تسهیل کند و همزمان تداخل الکترومغناطیسی مرتبط با عملکرد فرکانس بالا را به حداقل برساند.