تجزیه و تحلیل فناوری باسبار چند لایه: راه حل اتصال کم-القایی، بالا-قابلیت اطمینان برای سیستم‌های انتقال جریان بالا-

همانطور که الکترونیک قدرت مدرن به سمت چگالی توان بالاتر، سوئیچینگ فرکانس بالا، و کوچک سازی تکامل می‌یابد، کابل‌های سنتی و باسبارهای تک لایه‌ای به طور فزاینده‌ای قادر به برآورده کردن الزامات عملکرد الکتریکی در حال تغییر سریع نیستند. باسبارهای چند لایه-یک فناوری اتصال با جریان بالا{4} بسیار یکپارچه-از ساختار ترکیبی چند لایه رسانا و رسانه عایق برای پیکربندی دقیق مسیرهای پیچیده انتقال نیرو استفاده می‌کنند. این طراحی انتقال توان کارآمد را که با امپدانس کم، اندوکتانس انگلی کم، اتلاف حرارت عالی و قابلیت اطمینان بالا مشخص می‌شود، ممکن می‌سازد.

 

در مقایسه با روش‌های اتصال سنتی که با استفاده از میله‌ها یا کابل‌های مسی با مقطع بزرگ-مقطع-، شین‌های چند لایه عمل می‌کنند بسیار شبیه به "تخته‌های مدار چاپی برای کاربردهای- با قدرت بالا." با طراحی از قبل طرح‌بندی لایه‌های رسانا، آنها مسیرهای جریان کوتاه‌تر، فشرده‌تر و قابل کنترل‌تری ایجاد می‌کنند و در نتیجه تلفات الکتریکی و تداخل الکترومغناطیسی را در طول عملیات سیستم کاهش می‌دهند. در نتیجه، آنها به اجزای اتصال حیاتی در بخش هایی مانند وسایل نقلیه انرژی جدید، سیستم های ذخیره انرژی، درایوهای فرکانس متغیر صنعتی، حمل و نقل ریلی، و تجهیزات تولید انرژی تجدیدپذیر تبدیل شده اند.

 

 

 

شینه چند لایه یک ساختار اتصال الکتریکی مرکب است که شامل چندین لایه هادی فلزی، مواد عایق و لایه‌های محافظ است. بخش‌های رسانا معمولاً از مس یا آلومینیوم با رسانایی بالا استفاده می‌کنند که-برای تشکیل لایه‌هایی برای انتقال جریان مثبت، منفی یا چند فازی{2}}دقیق ماشینکاری شده است. بخش‌های عایق از موادی مانند پلی‌آمید، رزین اپوکسی، یا فیلم PET{4}}بر اساس ولتاژ عملیاتی، درجه‌بندی دما و الزامات محیطی انتخاب می‌شوند تا از ایزوله الکتریکی بین لایه‌ها اطمینان حاصل شود.

 

یک ساختار معمولی شامل لایه‌های رسانا، لایه‌های عایق، لایه‌های محافظ و نواحی پایانه اتصال است. این لایه‌ها از طریق لایه‌کاری دقیق، قالب‌گیری با فشار{1} داغ و کپسوله‌سازی، به یک ماژول انتقال جریان پایدار و یکپارچه تبدیل می‌شوند. قابل‌توجه، شین‌های مسی چند لایه اغلب از مس با خلوص بالا به عنوان رسانای هسته برای دستیابی به مقاومت کمتر و ظرفیت انتقال جریان بیشتر استفاده می‌کنند، که آنها را برای کاربردهای با چگالی بالا ایده‌آل می‌کند.

 

مزیت اصلی ساختار چند لایه از طراحی الکترومغناطیسی بهینه ناشی می شود. هنگامی که هادی های مثبت و منفی به صورت موازی قرار می گیرند، جریان هایی که از آنها می گذرد در جهت مخالف حرکت می کنند و میدان های مغناطیسی ایجاد می کنند که یکدیگر را خنثی می کنند. این به طور موثر اندوکتانس سرگردان حلقه مدار را کاهش می دهد.

 

در مقایسه با روش‌های اتصال سنتی، یک ساختار چند لایه طراحی‌شده به‌خوبی به‌طور قابل‌توجهی نوک ولتاژ ناشی از سوئیچینگ‌های گذرا را کاهش می‌دهد و در نتیجه پایداری عملیاتی دستگاه‌های قدرت مانند IGBT و SiC MOSFET را افزایش می‌دهد. در مدارهای سوئیچینگ فرکانس بالا، به حداقل رساندن پارامترهای انگلی بسیار مهم است. به عنوان مثال، در سیستم‌های شینه چند لایه که برای الکترونیک قدرت استفاده می‌شوند-مانند درایوهای موتور، شینه نه تنها باید انتقال جریان بالا را انجام دهد، بلکه باید نوسانات ولتاژ و تداخل الکترومغناطیسی ایجاد شده در طول سوئیچینگ سریع را نیز سرکوب کند. در نتیجه، طراحی اندوکتانس پایین-یک نیاز فنی کلیدی است.

 

 

در سیستم های الکترونیک قدرت، اندوکتانس سرگردان در درجه اول از طول فیزیکی حلقه جریان، فاصله بین هادی ها و طرح ساختاری ناشی می شود. هنگامی که جریان به سرعت تغییر می کند، طبق فرمول اندوکتانس:

 

V=L × di/dt

هر اندوکتانس انگلی اضافی نوسانات ولتاژ گذرا را ایجاد می کند. در سیستم‌هایی با سرعت سوئیچینگ بالا-مانند اینورترهای وسایل نقلیه انرژی جدید یا مبدل‌های ذخیره انرژی{2}}القای سرگردان بیش از حد می‌تواند اجزا را در معرض تنش ولتاژ آسیب‌رسان قرار دهد.

 

شینه های چند لایه اندوکتانس سرگردان را با کاهش ناحیه حلقه جریان و فاصله بین هادی های مثبت و منفی به حداقل می رساند و در نتیجه لغو متقابل میدان های مغناطیسی تولید شده توسط جریان را به حداکثر می رساند. در مقایسه با روش های کابل کشی سنتی، شینه های چند لایه می توانند اندوکتانس انگلی را تا ده ها درصد کاهش دهند، در نتیجه تلفات سوئیچینگ را کاهش داده و کارایی سیستم را افزایش می دهند.

 

در مهندسی عملی، طراحی شینه های چند لایه معمولاً از اصول زیر پیروی می کند:

اول، مسیر حلقه قدرت باید تا حد امکان کوتاه نگه داشته شود. به حداقل رساندن فاصله بین ماژول های قدرت، خازن ها و شین مساحت حلقه مغناطیسی را کاهش می دهد و در نتیجه اندوکتانس انگلی سیستم کاهش می یابد.

 

دوم، رابطه فضایی بین لایه های هادی باید بهینه شود. هادی های مثبت و منفی باید به صورت موازی چیده شوند و روی هم قرار گیرند تا از بین بردن میدان مغناطیسی به حداکثر برسد و در عین حال از رعایت فاصله ایمنی و الزامات عایق اطمینان حاصل شود.

 

علاوه بر این، ساختار چند لایه از توپولوژی‌های پیچیده قدرت-مانند مبدل‌های چند فازی، مبدل‌های چند سطحی و منابع تغذیه سوئیچینگ فرکانس بالا- پشتیبانی می‌کند و به مسیرهای جریان مختلف اجازه می‌دهد تا در لایه‌ها بر اساس مشخصات طراحی مرتب شوند.

 

 

1. جریان بالا-ظرفیت حمل و تلفات کم توان

شینه‌های چند لایه از ساختارهای رسانای بزرگ-استفاده می‌کنند که سطح مقطع مؤثر قابل توجهی را برای جریان جریان فراهم می‌کنند. در بخش هایی مانند وسایل نقلیه جدید انرژی، ذخیره انرژی و منابع تغذیه صنعتی، جریان سیستم می تواند به صدها آمپر یا بیشتر برسد. بنابراین، توانایی انتقال مطمئن جریان های بالا ضروری است. با افزایش ضخامت لایه مس، استفاده از طراحی موازی چند لایه، و بهینه‌سازی مسیرهای اتلاف گرما، شین‌های چند لایه، نیازهای تجهیزات- با قدرت بالا را که به طور مداوم کار می‌کنند، برآورده می‌کنند. به عنوان مثال، در برنامه‌های اینورتر با جریان بالا، باسبار باید به طور همزمان الزامات جریان بالا، سوئیچینگ فرکانس بالا و مدیریت حرارتی را برآورده کند.

 

در مقایسه با راه‌حل‌های کابل‌کشی سنتی، شین‌های چند لایه مسیرهای جریان کوتاه‌تر و تلفات تماس کمتری را ارائه می‌کنند که به راندمان تبدیل کلی انرژی کمک می‌کند.

 

2. عملکرد اتلاف حرارت عالی

رساناها در حین کار{0}}جریان بالا، گرمای ژول تولید می‌کنند. اگر این گرما به سرعت دفع نشود، افزایش دما در نتیجه می تواند طول عمر سیستم را به خطر بیندازد.

 

شینه های چند لایه دارای ساختاری مسطح هستند که باعث توزیع یکنواخت گرما می شود. علاوه بر این، سطح بزرگ لایه‌های مسی، قابلیت اتلاف گرما را افزایش می‌دهد و خطر ایجاد نقاط داغ موضعی را کاهش می‌دهد.

 

در تجهیزاتی که دائماً کار می کنند مانند مبدل های ذخیره انرژی و اینورترهای صنعتی، مدیریت حرارتی مؤثر، قابلیت اطمینان سیستم را در درازمدت- افزایش می دهد.

 

3. استفاده بهینه از فضا

اتصالات کابلی سنتی اغلب به فاصله قابل توجهی برای خم شدن نیاز دارند و از مسیریابی پیچیده و کیفیت مونتاژ ناسازگار رنج می برند.

شینه‌های چند لایه از ساختار مدولار استفاده می‌کنند که می‌تواند به‌صورت سفارشی-برای متناسب با فضای داخلی تجهیزات طراحی شود، و به طور قابل‌توجهی ردپای مناطق اتصال را کاهش می‌دهد و سطح یکپارچگی تجهیزات را افزایش می‌دهد.

 

به عنوان مثال، در برنامه های نصب بانک خازنی، شین را می توان طوری طراحی کرد که مستقیماً در اطراف آرایه خازن قرار بگیرد و اتصال فشرده تری بین ماژول های قدرت و اجزای ذخیره انرژی ایجاد کند.

 

4. سازگاری الکترومغناطیسی برتر (EMC)

تجهیزات سوئیچینگ با سرعت بالا مستعد ایجاد تداخل الکترومغناطیسی (EMI) هستند. از آنجایی که شینه های چند لایه به طور موثر ناحیه حلقه جریان را کنترل می کنند، منابع تابش الکترومغناطیسی را کاهش می دهند.

 

در تجهیزات مخابراتی، سیستم‌های قدرت، و{0}}دستگاه‌های توان فرکانس بالا، باسبارهای چند لایه طراحی شده خوب می‌توانند نیاز به محافظ اضافی را کاهش دهند و عملکرد کلی EMC سیستم را بهبود بخشند.

 

 

عملکرد شینه های چند لایه نه تنها به انتخاب مواد بلکه به شدت به فرآیندهای ساخت دقیق بستگی دارد.

تولید معمولاً شامل مراحل متعددی می‌شود، از جمله پردازش هادی، عملیات عایق، لایه‌گذاری لایه‌ای، کپسوله‌سازی داغ-پرس، پانچ کردن دقیق، و تکمیل سطح.

 

مواد رسانا معمولاً از مس-یا آلومینیوم با خلوص بالا تشکیل شده‌اند. در میان مواد مورد استفاده، مس رسانایی الکتریکی و حرارتی برتری را ارائه می‌دهد که آن را برای تجهیزات-قدرت- با چگالی بالا مناسب می‌کند، در حالی که آلومینیوم دارای مزیت وزنی است و آن را برای کاربردهایی که نیاز به اجزای سبک وزن دارند، ایده‌آل می‌کند.

 

ماده لایه عایق باید بر اساس درجه ولتاژ انتخاب شود. به عنوان مثال، مواد پلی‌آمید با مقاومت حرارتی عالی برای محیط‌های با دمای بالا مناسب هستند، در حالی که سیستم‌های عایق بر پایه اپوکسی برای تجهیزات صنعتی استاندارد مناسب هستند.

 

در طول ساخت، فناوری لمینیت دقیق، کیفیت اتصال بین لایه‌ای را تعیین می‌کند. ضخامت ناهموار عایق یا وجود حباب های هوا می تواند قابلیت اطمینان عایق را به خطر بیندازد. بنابراین، کنترل دقیق بر دقت پردازش ضروری است.

 

برخی از برنامه‌های{0}}با قابلیت اطمینان بالا از ساختار شینه عایق‌دار (VIB) استفاده می‌کنند که از یک پوشش عایق برای بهبود عملکرد عایق الکتریکی استفاده می‌کند.

 

 

 

با توجه به رشد انرژی های جدید، برق رسانی و تولید هوشمند، شینه های چند لایه اکنون به طور گسترده در کاربردهای مختلف-قدرت بالا استفاده می شوند.

 

بخش خودرو انرژی جدید (NEV) یک حوزه کلیدی کاربرد است. در سیستم‌های محرک الکتریکی، مبدل‌های DC/DC و تجهیزات شارژ روی برد، شین‌ها باید در مقابل ولتاژ و جریان‌های بالا مقاومت کنند و در عین حال محدودیت‌های فضایی سخت و استانداردهای قابلیت اطمینان را رعایت کنند.

 

در سیستم های اتصال خازن NEV، شین های مسی اتصال برق پایدار و کارآمد را برای الکترونیک قدرت فراهم می کنند.

 

اینورترهای فتوولتائیک (PV) و مبدل‌های انرژی بادی نیز به شینه‌های-با عملکرد بالا نیاز دارند. از آنجایی که تجهیزات انرژی تجدیدپذیر اغلب در محیط های پیچیده برای دوره های طولانی کار می کنند، شین ها نه تنها باید عملکرد الکتریکی عالی را ارائه دهند، بلکه باید در برابر چرخه حرارتی، ارتعاشات مکانیکی و استرس محیطی نیز مقاومت کنند.

 

در بخش صنعتی، شین‌های چند لایه به طور گسترده در درایوهای فرکانس متغیر (VFD)، کنترل‌کننده‌های موتور و سیستم‌های منبع تغذیه صنعتی استفاده می‌شوند. برای مثال، شین‌های چند لایه برای تجهیزات صنعتی معمولاً باید دارای سوئیچینگ فرکانس بالا، نوسان‌های جریان بالا و عملکرد طولانی‌مدت مداوم باشند.

 

علاوه بر این، در بخش حمل و نقل ریلی، ساختارهای شینه{0} با قابلیت اطمینان بالا به طور گسترده در تجهیزات تبدیل توان سیستم های کششی استفاده می شود. شینه‌های لوکوموتیوهای الکتریکی باید عملکرد پایدار را در شرایطی که شامل ولتاژ بالا، جریان بالا و ارتعاش مکانیکی است، تضمین کنند.

 

 

 

هنگام انتخاب شینه های چند لایه برای پروژه های واقعی، لازم است به طور جامع عواملی مانند ولتاژ، جریان، دمای محیط، ساختار مکانیکی و الزامات عمر مفید در نظر گرفته شود. ابتدا، کلاس عایق باید بر اساس ولتاژ نامی سیستم تعیین شود. این شامل فاصله بین لایه ها، مواد عایق، و الزامات تست ولتاژ مقاومت است.

 

دوم اینکه ضخامت هادی، عرض و تعداد لایه ها باید بر اساس نیاز جریان پیوسته و پیک انتخاب شوند. برای کاربردهای{1}}جریان بالا، قابلیت های اتلاف حرارت واقعی باید از طریق آزمایش افزایش دما تأیید شود.

 

سوم، باید به روش های اتصال توجه شود. روش های متداول عبارتند از پیچ و مهره، جوشکاری و چین دادن. انتخاب روش بر مقاومت تماس و قابلیت اطمینان طولانی مدت تأثیر می گذارد.

 

با توجه به شبیه سازی و تایید، می توان از تحلیل میدان الکترومغناطیسی، آنالیز حرارتی و شبیه سازی ساختاری برای بهینه سازی توزیع جریان، افزایش دما و پارامترهای انگلی استفاده کرد. برای مثال، طرح‌هایی برای شینه‌های چند لایه که در بردهای مدارهای IGBT با جریان بالا-استفاده می‌شوند، نیازمند تمرکز بر-توزیع جریان فرکانس بالا و مسائل غلظت حرارتی هستند.

 

 

با پیشرفت در وسایل نقلیه جدید انرژی، سیستم‌های ذخیره انرژی و فناوری‌های شبکه هوشمند، تجهیزات الکترونیک قدرت به سمت رتبه‌بندی توان بالاتر، فرکانس‌های عملیاتی بالاتر و عوامل شکل فشرده‌تر تکامل می‌یابند.

 

در آینده، شینه های چند لایه به طور فزاینده ای دارای یکپارچگی بالا، طراحی سبک وزن و قابلیت های هوشمند خواهند بود. از یک طرف، ساختارهای ترکیبی چندلایه از توپولوژی های قدرت پیچیده تری پشتیبانی می کنند. از سوی دیگر، مواد جدید و فن‌آوری‌های ساخت پیشرفته ظرفیت‌های{2}}حمل جریان بالاتر و پارامترهای انگلی پایین‌تر را ممکن می‌سازد.

 

برنامه‌های کاربردی-با قابلیت اطمینان بالا-مانند شینه‌های چند لایه برای اینورترهای قدرت فضاپیما-در بخش‌های هوافضا، تحرک الکتریکی، و تجهیزات صنعتی پیشرفته- نیز باعث ارتقای مداوم فناوری برای شینه‌ها خواهند شد.

 

به طور کلی،شینه چند لایهصرفاً یک جزء اتصال الکتریکی نیست، بلکه یک راه حل سطح{0} سیستمی است که طراحی الکترومغناطیسی، مهندسی مواد و فناوری ساخت را یکپارچه می کند. با بهینه‌سازی مسیرهای فعلی، کاهش پارامترهای انگلی و افزایش اتلاف گرما، این فناوری به یک فناوری توانمند برای دستیابی به راندمان بالا، قابلیت اطمینان بالا و چگالی توان بالا در تجهیزات الکترونیک قدرت مدرن تبدیل می‌شود.