از بین بردن لایه های بیشتر، تصور غلط بهتر در شینه های چند لایه

با توسعه سریع انرژی های جدید، الکترونیک قدرت و اتوماسیون صنعتی، شین های چند لایه به دلیل اندوکتانس کم، یکپارچگی بالا و عملکرد خوب EMC به طور گسترده در سیستم های ذخیره انرژی، اینورترها، وسایل نقلیه انرژی جدید، ماژول های قدرت و حمل و نقل ریلی استفاده می شوند. به ویژه در تجهیزات-با فرکانس بالا-بالا، شین‌های چند لایه القایی کم{3}}به تدریج جایگزین اتصالات کابلی سنتی شده‌اند و جزء مهمی از سیستم‌های قدرت مدرن شده‌اند.

 

با این حال، یک تصور غلط رایج در صنعت همچنان وجود دارد: اینکه لایه های بیشتر در یک شینه چند لایه لزوما به معنای عملکرد بهتر است. در حقیقت، یک طرح چند لایه یک پروژه مهندسی سیستماتیک است که نیاز به بررسی جامع القایی، اتلاف گرما، فضای ساختاری، هزینه و سناریوهای کاربردی دارد. هیچ نتیجه گیری مطلقی وجود ندارد که "لایه های بیشتر مساوی با پیشرفته تر است."

 

 

 

شینه‌های چند لایه معمولاً از چندین لایه از شینه‌های مسی رسانا و رسانه‌های عایق تشکیل شده‌اند که با استفاده از یک فرآیند پرس گرم-به یکدیگر متصل می‌شوند. آنها میله های اتصال ساختار مرکب چند لایه معمولی هستند. با بهینه سازی فاصله و طرح بین پایانه های مثبت و منفی، اندوکتانس سرگردان در مدار می تواند به طور قابل توجهی کاهش یابد و پایداری عملیاتی سیستم را بهبود بخشد. در حال حاضر، مشخصات اصلی در صنعت عمدتاً از 2 تا 6 لایه است، با شماره لایه های مختلف مطابق با نیازهای مختلف برنامه:

 

ساختارهای 2-لایه‌ای معمولاً برای تجهیزات کم- تا متوسط-مناسب هستند و مزایایی مانند فرآیندهای تولید بالغ، هزینه‌های پایین‌تر و نصب ساده را ارائه می‌دهند. آنها معمولاً در باسبارهای پایه واحد توزیع برق، اینورترهای ولتاژ پایین و سیستم های توزیع برق صنعتی عمومی یافت می شوند.

 

ساختارهای 3-لایه یکی از پرکاربردترین راه حل ها هستند. شینه‌های سه لایه چند لایه، توزیع جریان و محافظ الکترومغناطیسی بهتری را به دست می‌آورند، و در تجهیزات با قدرت متوسط، کارایی بالا- ارائه می‌دهند. آنها به طور گسترده ای در اینورترهای ذخیره انرژی، سیستم های UPS و ماژول های کنترل کمکی انرژی جدید استفاده می شوند.

 

سازه‌های با 4 لایه یا بیشتر بیشتر در سناریوهای توپولوژی با فرکانس بالا، توان بالا{{2} و پیچیده، مانند گذرگاه‌های چند لایه در مبدل‌های توان بالا، گذرگاه‌های چند لایه IGBT و سیستم‌های PCS ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ استفاده می‌شوند. مزایای اصلی آنها در اندوکتانس سرگردان کمتر، قابلیت های EMC قوی تر و یکپارچگی سیستم بالاتر است.

 

 

 

I. تغییرات در عملکرد الکتریکی

با افزایش تعداد لایه ها، ساختار کوپلینگ محکم تری را می توان بین هادی های مثبت و منفی تشکیل داد و در نتیجه اندوکتانس سرگردان را کاهش داد. این به ویژه برای دستگاه‌های SiC با فرکانس بالا و ماژول‌های سوئیچینگ IGBT با سرعت بالا اهمیت دارد.

 

باسبارهای چند لایه سفارشی شده برای IGBT ها معمولاً بر بهینه سازی ساختار بین لایه شین برای کاهش نوسانات ولتاژ و تداخل EMI ایجاد شده در حین سوئیچینگ تمرکز می کنند.

 

با این حال، افزایش تعداد لایه ها لزوماً به معنای بهبود عملکرد نامحدود نیست. لایه های بیش از حد می تواند منجر به افزایش ظرفیت انگلی بین لایه ای شود، که اگر پارامترها به درستی مطابقت نداشته باشند، ممکن است بر پایداری سیستم تأثیر منفی بگذارد. بنابراین، هنگام طراحی یک شینه چند لایه برای یک اینورتر سه سطح-، پارامترهای اندوکتانس و ظرفیت باید به طور همزمان متعادل شوند.

 

II. تغییرات در ظرفیت اتلاف حرارت

ساختارهای چندلایه می‌توانند مسیر هدایت گرما و ناحیه اتلاف گرما را گسترش دهند، بنابراین شینه‌های چند لایه معمولاً تحت شرایط حمل{0} یکسانی افزایش دمای کمتری دارند.

 

در سناریوهای-جریان بالا مانند انفجار ولتاژ بالا-شیشه‌های اینورتر مقاوم، ساختارهای چندلایه می‌توانند به طور مؤثر نقاط داغ محلی را کاهش دهند و پایداری عملیاتی بلندمدت- را بهبود بخشند.

 

با این حال، در همان زمان، افزایش تعداد لایه ها نیز منجر به افزایش ضخامت کلی می شود و فضای نصب بیشتری را اشغال می کند. بنابراین در دستگاه های فشرده، چیدمان داخلی باید به طور جامع در نظر گرفته شود.

 

III. بهبود قابلیت های یکپارچه سازی سیستم

یکی از بزرگترین مزایای شینه های چند لایه، یکپارچگی بالای آنهاست. در مقایسه با مهارهای سیم‌کشی سنتی، ساختارهای چندلایه می‌توانند به طور همزمان چندین حلقه قدرت، حلقه سیگنال و سیستم‌های زمین را ادغام کنند و گره‌های اتصال را کاهش دهند و قابلیت اطمینان سیستم را بهبود بخشند.

 

به عنوان مثال:

میله های اتوبوس چند لایه برای توزیع بک پلن های برق می تواند در سیستم های قدرت سرور و صنعتی استفاده شود.

میله های اتوبوس چند لایه برای توزیع روتر Backplane برای منبع تغذیه داخلی در تجهیزات ارتباطی مناسب هستند.

میله های اتوبوس چند لایه برای توزیع برق ایستگاه پایه سلولی به طور گسترده در ایستگاه های پایه 5G و منابع تغذیه ارتباطی استفاده می شود.

در محیط‌های کابل‌کشی پیچیده، شینه‌های چند لایه برای نصب شینه‌های پیچیده به طور موثری فضای مورد نیاز را کاهش می‌دهند و فرآیند نصب را ساده می‌کنند.

 

IV. پایداری سازه و قابلیت ضد{1}}تداخل

ساختارهای چند لایه می‌توانند یک حلقه محافظ الکترومغناطیسی کامل‌تر را تشکیل دهند و در نتیجه قابلیت ضد تداخل سیستم را بهبود بخشند.

 

در زمینه وسایل نقلیه با انرژی جدید، سیستم‌های محرک الکتریکی و حمل‌ونقل ریلی، باسبارهای کنترل‌کننده موتور و اتوبوس‌های چند لایه مترو الزامات عملکرد EMC بالایی دارند. ساختارهای متقارن چند لایه می توانند به طور موثر مشکلات عدم تعادل فعلی را کاهش دهند و قابلیت عملیات پایدار دراز مدت تجهیزات را بهبود بخشند.

 

برای حمل و نقل ریلی و سیستم‌های کشش نیرو{0}بالا، شینه مرکب برای منبع تغذیه قطار چهار-ماژول‌های برق چهارگانه نیز باید در برابر ضربه‌های دینامیکی مقاومت کنند، دماهای بالا را تحمل کنند و عملکرد عایق بالایی را حفظ کنند.
 

 

در حالی که گذرگاه‌های{0}لایه بالاتر عملکرد عالی ارائه می‌دهند، پیچیدگی ساخت بر این اساس افزایش می‌یابد.

 

محصولات دو- تا سه-لایه دارای فرآیندهای نسبتاً بالغ، نرخ بازده بالا و هزینه‌های پردازش قابل کنترل هستند.

 

محصولات چهار{0}لایه و بالاتر تقاضای بیشتری برای کنترل ضخامت فویل مسی، دقت لایه‌کاری عایق، فرآیندهای فشار{1} داغ و چیدمان متقارن دارند. این امر به ویژه برای سازه‌های تخصصی مانند شینه‌های چند لایه، که به دقت بسیار بالایی در پردازش عایق‌های موضعی و مناطق هدایت نیاز دارند، صادق است.

 

علاوه بر این، ساختارهای چند لایه به این معنی است:

افزایش مصرف مواد اولیه؛

فرآیندهای لمینیت پیچیده تر؛

استانداردهای تست دقیق تر؛

چرخه تولید طولانی تر

 

بنابراین، راه‌حل‌های{0}لایه بالا لزوماً برای همه پروژه‌ها مناسب نیستند.

 

 

برای تجهیزات قدرت کوچک تا متوسط ​​با توان خروجی کمتر از 100 کیلووات، معمولاً دو تا سه لایه کافی است. این سناریوها شامل کاربردهای اساسی مانند سیستم های ذخیره انرژی عمومی، سیستم های UPS کوچک و باسبارهای سیستم منبع تغذیه بدون وقفه (UPS) می باشد.

 

برای سیستم‌های قدرت متوسط-تا{{1} (100 کیلووات تا 500 کیلووات)، ساختار 3 تا 4 لایه برای متعادل کردن عملکرد القایی، اتلاف گرما و هزینه‌های ساخت مناسب‌تر است.

 

برای سیستم‌های با قدرت بالای 500 کیلووات، مبدل‌های SiC با فرکانس بالا و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی بزرگ، معمولاً ساختار 4 تا 6 لایه برای برآورده کردن الزامات برای اندوکتانس کمتر، قابلیت‌های EMC بالاتر و اتلاف گرمای قوی‌تر مورد نیاز است.

 

مثالها عبارتند از:

باسبار چند لایه برای خودروهای الکتریکی;

انفجار ولتاژ بالا{0}}شینه اینورتر مقاوم

سیستم‌های PCS ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ؛

مبدل‌های فرکانس-ولتاژ بالا؛

سیستم های محرک اصلی خودروهای انرژی جدید.

 

در مدارهای پیچیده مانند توپولوژی‌های چند سطحی، برای دستیابی به مسیرهای جریان متقارن و کنترل اشتراک جریان پایدار، معمولاً یک ساختار 3-تا 5 لایه برای شینه چند لایه برای اینورترهای سه سطحی مورد نیاز است.

 

 

 

تصور اشتباه 1: لایه های بیشتر لزوما به معنای عملکرد بهتر است

در واقع، تعداد لایه ها تنها پارامتری است که بر عملکرد تأثیر می گذارد.

ضخامت شینه مسی، مواد عایق، طرح مدار، فاصله هادی و دقت پردازش همگی به طور مستقیم بر عملکرد نهایی تأثیر می گذارند.

افزایش کورکورانه تعداد لایه ها نه تنها هزینه ها را افزایش می دهد بلکه ممکن است به دلیل تغییر در پارامترهای انگلی بر پایداری تجهیزات نیز تأثیر بگذارد.

 

تصور نادرست 2: محصولات لایه پایین "راه حل های پایین- هستند."

در واقع، برای بسیاری از دستگاه های با قدرت کوچک و متوسط، ساختارهای 2- تا 3 لایه بالغ ترین، پایدارترین و مقرون به صرفه ترین راه حل ها هستند.

یک باسبار سه لایه چند لایه-به خوبی طراحی شده می‌تواند به طور کامل نیازهای اکثر برنامه‌های صنعتی معمولی را برآورده کند.

 

تصور اشتباه 3: محصولات با تعداد لایه های یکسان عملکرد یکسانی دارند

حتی با تعداد لایه های یکسان، هنوز تفاوت های قابل توجهی بین طرح های مختلف وجود دارد.

برای مثال، آرایش فویل مسی، مواد عایق، فرآیند پرس داغ-و تقارن هادی همگی مستقیماً بر عملکرد شینه تأثیر می‌گذارند.

عملکرد واقعی شینه‌های مسی{0} با کیفیت بالا اغلب بسیار بهتر از محصولات ساختاری معمولی است.

 

 

 

با توسعه مستمر دستگاه‌های SiC، فن‌آوری اینورتر با فرکانس بالا-و سیستم‌های ذخیره انرژی، شین‌های چند لایه به سمت فرکانس‌های بالاتر، یکپارچگی بالاتر و اصلاح بیشتر در حال تکامل هستند.

 

در آینده، میدان‌های الکترونیکی پیشرفته-مانند میله‌های اتوبوس چند لایه برای بردهای مدار ابررایانه یا هواپیماهای پشتی، توسعه باسبارها را به سمت چگالی بالا، کوچک‌سازی و سفارشی‌سازی بیشتر سوق خواهند داد.

 

در همان زمان، طراحی باسبار اختصاصی برای وسایل نقلیه انرژی جدید، الکترونیک قدرت، و تجهیزات ارتباطی بیشتر بخش‌بندی می‌شود و صنعت تاکید بیشتری بر «انطباق برنامه‌ها» دارد تا صرفاً افزایش تعداد لایه‌ها.

 

 

ارزش اصلی شینه های چند لایه نه در "لایه های بیشتر" بلکه در توانایی آنها برای مطابقت دقیق با نیازهای تجهیزات است.

 

یک طراحی لایه معقول باید به طور جامع در نظر گرفته شود:

قدرت تجهیزات؛

فرکانس سوئیچینگ؛

الزامات EMC؛

ظرفیت دفع گرما؛

فضای نصب؛

هزینه ساخت؛

پایداری عملیاتی درازمدت-.

 

تنها از طریق طراحی علمی مبتنی بر سناریوهای کاربردی واقعی می توان از مزایای عملکرد استفاده کردمیله های اتوبوس چند لایه، اجزای الکترونیکی غیرفعال، واقعاً تحقق یابد و به تعادل بهینه بین کارایی سیستم، قابلیت اطمینان و هزینه دست یابد.