تجزیه و تحلیل فناوری شینه‌های چند لایه: یک مؤلفه کلیدی برای کاهش اندوکتانس سرگردان و افزایش قابلیت اطمینان نیرو در سیستم‌های PV{0}}

با توسعه سریع صنعت انرژی جدید، سیستم های ذخیره انرژی فتوولتائیک (PV) به سمت چگالی توان بالاتر، راندمان تبدیل بالاتر و قابلیت اطمینان بیشتر در حال تکامل هستند. در حالی که طراحی سیستم اغلب کارایی ماژول PV، عمر چرخه باتری و عملکرد دستگاه برق را در اولویت قرار می دهد، شین چند لایه-یک جزء حیاتی که انتقال انرژی بین دستگاه های قدرت، خازن ها و ماژول های قدرت را تسهیل می کند{2}}به طور فزاینده ای به یک عامل کلیدی بر عملکرد کلی سیستم تبدیل شده است.

 

در مبدل‌های ذخیره انرژی با توان بالا، اینورترهای PV و سیستم‌های انرژی جدید، شین‌ها نه تنها جریان را انتقال می‌دهند، بلکه مستقیماً بر پارامترهای انگلی، سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) و ایمنی عملیاتی دستگاه‌های قدرت تأثیر می‌گذارند. از آنجایی که دستگاه‌های سوئیچینگ با سرعت بالا مانند IGBT و SiC MOSFET با استقبال گسترده‌ای مواجه می‌شوند، مسئله القایی سرگردان-در ساختار شینه‌های مسی سنتی{4}}بارزتر شده است. شین‌های چند لایه، که با اندوکتانس کم، یکپارچگی بالا و عملکرد الکتریکی برتر مشخص می‌شوند، به عنوان یک راه‌حل اتصال حیاتی برای سیستم‌های الکترونیک قدرت مدرن ظاهر شده‌اند.

 

 

 

در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی جدید، فرآیند تبدیل توان معمولاً شامل چندین مرحله از جمله بسته‌های باتری، باس‌های DC، خازن‌ها و ماژول‌های اینورتر است. از آنجایی که دستگاه‌های قدرت، نرخ‌های بالایی از تغییر جریان (di/dt) را در هنگام سوئیچینگ سرعت بالا تولید می‌کنند، هر اندوکتانس انگلی در حلقه جریان، ولتاژ اضافی را القا می‌کند.

 

با توجه به اصول القای الکترومغناطیسی، هنگامی که یک دستگاه قدرت به سرعت خاموش می شود، اندوکتانس سرگردان یک افزایش ولتاژ گذرا ایجاد می کند. بزرگی این سنبله به طور مستقیم با اندوکتانس حلقه و نرخ تغییر جریان مرتبط است. اگر افزایش ولتاژ از درجه بندی ولتاژ دستگاه بیشتر شود، می تواند باعث خرابی اضافه ولتاژ در ماژول های IGBT یا SiC شود و در نتیجه قابلیت اطمینان سیستم را به خطر بیندازد.

 

شینه‌های مسی تک لایه یا اتصالات کابلی سنتی معمولاً اندوکتانس انگلی بالایی از خود نشان می‌دهند زیرا فاصله قابل توجه بین پایانه‌های مثبت و منفی باعث ایجاد یک ناحیه حلقه جریان بزرگ می‌شود. در مقابل، شینه‌های چند لایه لایه‌های رسانا با قطبیت‌های مخالف را محکم روی هم می‌چسبانند و به میدان‌های مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان‌های مثبت و منفی اجازه می‌دهند یکدیگر را خنثی کنند و در نتیجه از لحاظ ساختاری اندوکتانس حلقه را کاهش دهند.

 

در نتیجه، در تجهیزات ذخیره‌سازی انرژی PV با توان بالا، شین‌های چند لایه دیگر فقط اتصالات رسانا ساده نیستند. آنها اجزای ساختاری حیاتی هستند که بر پایداری کل سیستم قدرت تأثیر می گذارند.

 

 

شینه های چند لایه معمولاً از چندین لایه مواد رسانا و رسانه های عایق تشکیل شده اند. مس یا آلومینیوم با رسانایی بالا عمدتاً برای رساناها استفاده می‌شود، در حالی که لایه‌های عایق از مواد عایق مهندسی مختلفی تشکیل شده‌اند که بر اساس رتبه‌بندی ولتاژ، دما مورد نیاز و محیط کار انتخاب شده‌اند.

 

مفهوم طراحی هسته شامل کوتاه کردن مسیر حلقه جاری و قرار دادن هادی های مثبت و منفی تا حد امکان نزدیک به هم است.

 

هنگامی که دو رسانا که جریان را در جهات متضاد حمل می کنند به صورت موازی قرار می گیرند، میدان های مغناطیسی متضاد حاصل به طور موثر بخشی از اثر القایی را خنثی می کنند و در نتیجه امپدانس کلی حلقه را کاهش می دهند.

 

در مقایسه با سازه های سنتی، طراحی چند لایه فاصله اتصال بین ماژول های قدرت و خازن های DC را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد و در نتیجه پارامترهای انگلی کمتری برای سیستم ایجاد می کند. این ساختار به طور گسترده در-تجهیزات سوئیچینگ فرکانس بالا-مانند شین‌های چند لایه برای درایوهای فرکانس متغیر استفاده می‌شود-که به طور مؤثری الزامات پاسخ‌دهی سریع و عملکرد کم تلفات را برآورده می‌کند.

 

در مبدل‌های ذخیره‌سازی انرژی، یک طراحی{0}}سرگردان-کم القایی، نوسانات ولتاژ را در حین سوئیچینگ گذرا کاهش می‌دهد. این ماژول‌های قدرت را قادر می‌سازد تا در فرکانس‌های بالاتر با ثبات کار کنند، نیاز به مدارهای حفاظتی اضافی را کاهش می‌دهد و کارایی کلی سیستم را افزایش می‌دهد.

 

 

 

1. کاهش ولتاژهای گذرا سوئیچینگ

در طول کارکرد دستگاه‌های پرسرعت-، بیش از حد ولتاژی که در لحظه خاموش شدن{1}} اتفاق می‌افتد، عامل اصلی تأثیرگذار بر قابلیت اطمینان است. با بهینه‌سازی مسیر فعلی، شینه‌های چند لایه، ناحیه حلقه کموتاسیون را کاهش می‌دهند و در نتیجه اندوکتانس انگلی را کاهش می‌دهند.

 

برای اینورترهای صنعتی که از ماژول‌های IGBT استفاده می‌کنند، باسبارهای اندوکتانس پایین-به‌طور موثر اسپایک‌های سوئیچینگ را کنترل می‌کنند و حاشیه ایمنی دستگاه را افزایش می‌دهند. برای مثال، شین‌های چند لایه طراحی‌شده برای سیستم‌های قدرت DC فشرده IGBT، طرح‌بندی لایه‌ای را برای بهبود عملکرد سوئیچینگ با سرعت بالا بهینه می‌کنند.

 

2. افزایش یکنواختی توزیع جریان

شینه‌های مسی ضخیم سنتی مستعد مشکلاتی مانند شلوغی فعلی و افزایش دمای موضعی در حین کار{0}}جریان بالا هستند. این مشکلات در محیط‌های با فرکانس بالا تشدید می‌شوند، جایی که اثر پوستی و اثر مجاورت بر توزیع جریان بیشتر تأثیر می‌گذارند.

 

باسبارهای چند لایه از ساختار چند لایه ای استفاده می کنند که اجازه می دهد جریان به طور یکنواخت در سطح مقطع هادی توزیع شود و به طور همزمان غلظت حرارتی موضعی را کاهش دهد. در برنامه‌های کاربردی-با قابلیت اطمینان بالا-مانند گذرگاه‌های واحد توزیع نیرو (PDU)-قطعات باید در مدت‌های طولانی عملکرد جریان بالا- مداوم را تحمل کنند. در نتیجه، توزیع جریان یکنواخت برای طول عمر سیستم بسیار مهم است.

 

3. بهینه سازی عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی (EMC).

اقدامات سوئیچینگ با سرعت بالا در سیستم های الکترونیک قدرت، تداخل الکترومغناطیسی قابل توجهی (EMI) ایجاد می کند. اندوکتانس حلقه بالا نرخ تغییر ولتاژ و جریان (dv/dt و di/dt) را افزایش می‌دهد و سیستم را مستعد تداخل هدایت شده و تابشی می‌کند.

 

با به حداقل رساندن ناحیه حلقه جریان و کاهش شدت تابش میدان الکترومغناطیسی، شین‌های چند لایه به بهبود عملکرد EMC تجهیزات کمک می‌کنند و بار طراحی روی فیلترهای محیطی را کاهش می‌دهند.

 

 

1. طراحی فاصله بین عایق

تعیین ضخامت لایه عایق نیاز به در نظر گرفتن متوازن رتبه های ولتاژ، فاصله های ایمنی الکتریکی و الزامات کنترل القایی دارد. ضخامت بیش از حد عایق، فاصله بین هادی ها را افزایش می دهد و در نتیجه اندوکتانس سرگردان را افزایش می دهد، در حالی که ضخامت ناکافی ممکن است توانایی تحمل ولتاژ را به خطر بیندازد.

 

بنابراین، فرآیند طراحی باید از تعادل مناسب بر اساس ولتاژ نامی سیستم، محیط عملیاتی و استانداردهای ایمنی مربوطه اطمینان حاصل کند.

 

2. انتخاب مواد

هادی ها معمولا از مس یا آلومینیوم ساخته می شوند. مس رسانایی الکتریکی بالاتری را ارائه می دهد و آن را برای کاربردهای-جریان- با چگالی بالا مناسب می کند، در حالی که آلومینیوم دارای مزیت وزنی است و آن را برای کاربردهایی که به اجزای سبک وزن نیاز دارند ترجیح می دهد.

 

مواد عایق باید مقاومت حرارتی عالی، استحکام دی الکتریک و پایداری بلندمدت- از خود نشان دهند. برای مثال، در شین‌های چند لایه که برای توزیع برق مخابراتی استفاده می‌شوند، محیط عملیاتی طولانی‌مدت نیازمند عملکرد عایق پایدار و قابلیت‌های مدیریت حرارتی قابل اعتماد است.

 

3. بهینه سازی ساختار اتصال

نقاط اتصال بین شینه و اجزاء، مانند ماژول های قدرت و خازن ها، گره های حیاتی در مسیر فعلی هستند. فواصل اتصال بیش از حد یا طراحی ساختاری غیربهینه می تواند اندوکتانس انگلی موضعی را افزایش دهد.

 

در نتیجه، طرح‌های شینه چند لایه مدرن اغلب از طرح‌بندی یکپارچه‌ای برای خازن‌ها، ماژول‌های قدرت، و شینه‌ها استفاده می‌کنند تا طول مسیرهای کموتاسیون فرکانس بالا-را به حداقل برسانند.
 

 

 

با پیشرفت فناوری الکترونیک قدرت، دامنه کاربرد شین‌های چند لایه از تجهیزات سنتی انرژی جدید به طیف گسترده‌ای از بخش‌های صنعتی گسترش یافته است.

 

در زمینه اتوماسیون صنعتی، باسبارهای چند لایه فاز IGBT با اندوکتانس پایین{{0}در سیستم‌های اینورتر{1}قدرت بالا استفاده می‌شوند. ساختار اندوکتانس پایین- آنها کارایی درایوهای موتور و فرآیندهای تبدیل انرژی را افزایش می‌دهد. در بخش حمل و نقل، ساختارهای باسبار با قابلیت اطمینان بالا در حمل و نقل ریلی، تجهیزات حمل و نقل الکتریکی، و سیستم های قدرت برای وسایل نقلیه با انرژی جدید استفاده می شود. برای مثال، باسبارهای کامپوزیت برای منبع تغذیه قطار چهار ماژول قدرت ربع-نیازهای سوئیچینگ با سرعت بالا و عملکرد قابل اطمینان را برآورده می‌کنند.

 

در زمینه‌های مخابرات و تجهیزات داده، با افزایش چگالی توان در سرورها و دستگاه‌های ارتباطی، ساختارهایی مانند شین‌های چند لایه برای رک{0}}توزیع برق پایه و صفحات پشتی روتر اینترنت برای افزایش استفاده از فضا و کارایی توزیع برق استفاده می‌شوند.

 

علاوه بر این، شین‌های چند لایه در تجهیزات پزشکی، سیستم‌های کنترل صنعتی، و سیستم‌های برق پشتیبان مانند دستگاه‌های تست تصویربرداری پزشکی و سیستم‌های منبع تغذیه بدون وقفه (UPS) نقش حیاتی دارند که در آن‌ها باید الزامات انتقال توان پایدار و قابلیت اطمینان عملیاتی بلندمدت را برآورده کنند.

 

 

با پذیرش روزافزون دستگاه‌های نیمه‌رسانای نسل سوم مانند SiC و GaN، و افزایش فرکانس سوئیچینگ سیستم‌های الکترونیک قدرت، تقاضای فزاینده‌ای برای شین‌هایی وجود دارد که اندوکتانس پایین، قابلیت اطمینان بالا و سطوح بالایی از یکپارچگی را ارائه می‌دهند.

 

فناوری باسبار چند لایه آینده در جهت‌های زیر تکامل خواهد یافت:

اول، یکپارچگی بالاتر یک روند کلیدی است. با تعبیه اجزایی مانند جدا کردن خازن ها، حسگرها و ساختارهای محافظ خاص به طور مستقیم در شین، مسیرهای جریان را می توان کوتاه کرد و در نتیجه سرعت پاسخ سیستم را بهبود بخشید.

 

دوم، فن آوری های نظارت هوشمند به طور فزاینده ای در طرح های شینه گنجانده می شود. ادغام عملکردهایی مانند سنجش دما و جریان، نظارت{0}زمان واقعی از وضعیت عملیاتی را امکان پذیر می کند.

 

در عین حال، فرآیندهای تولید به پیشرفت خود ادامه خواهند داد-مانند استفاده از تکنیک‌های قالب‌گیری پیچیده برای ایجاد ساختارهای پیچیده سه بعدی{2}}که به شینه‌ها اجازه می‌دهد تا طرح‌بندی‌های فشرده‌تر سیستمی را در خود جای دهند.

 

در بخش‌هایی مانند محاسبات با کارایی بالا، تجهیزات نیرو، و زیرساخت‌های مخابراتی، برنامه‌هایی مانند شین‌های چند لایه برای بردهای مدار سوپرکامپیوتری یا صفحه‌های پشتی و صفحه‌های پشتی توزیع نیرو، مسیر آینده معماری‌های توان با چگالی بالا را نشان می‌دهند.

 

 

 

همانطور که ذخیره انرژی فتوولتائیک، وسایل نقلیه انرژی جدید، و سیستم های الکترونیک قدرت صنعتی به سمت راندمان و چگالی توان بالاتر تکامل می یابند، شین های چند لایه به عنوان اجزای اساسی اساسی که عملکرد کلی سیستم را تعیین می کنند، پدیدار شده اند.

 

در حالی که آنها مستقیماً قابلیت های تبدیل انرژی را مانند باتری ها، اینورترها یا ماژول های قدرت دیکته نمی کنند، اما با به حداقل رساندن اندوکتانس سرگردان، بهینه سازی مسیرهای جریان و افزایش قابلیت اطمینان سیستم، پایه ای پایدار برای انتقال انرژی در کل سیستم قدرت ایجاد می کنند. در آینده، همانطور که تجهیزات انرژی جدید به سمت ولتاژهای بالاتر، فرکانس های بالاتر و طراحی های فشرده تر تکامل می یابند.شینه های چند لایهنقش مهمی در بخش‌هایی مانند ذخیره‌سازی انرژی، سیستم‌های محرک الکتریکی، کنترل صنعتی، و منابع تغذیه مخابراتی ایفا می‌کند و به یک فناوری اتصال ضروری برای سیستم‌های الکترونیک قدرت مدرن تبدیل می‌شود.