اصول طراحی باسبارهای انباشته با چگالی کم-سرگردان-القایی بالا- و تجزیه و تحلیل کاربرد آنها در سیستم‌های الکترونیکی با توان بالا{3}}

 

با پیشرفت در وسایل نقلیه انرژی جدید، سیستم‌های ذخیره انرژی، حمل‌ونقل ریلی، اتوماسیون صنعتی و فناوری‌های شبکه هوشمند، تجهیزات الکترونیکی با قدرت{0}بالا به سمت ولتاژهای بالاتر، فرکانس‌های بالاتر و چگالی توان بالاتر در حال تکامل هستند. در این فرآیند،{2}}نسل بعدی دستگاه‌های نیمه‌رسانا با شکاف گسترده-که نمونه آن کاربید سیلیکون (SiC) است-به‌تدریج جایگزین IGBT‌های مبتنی بر سیلیکون{6}}می‌شوند که به‌عنوان یک مسیر فناوری کلیدی برای افزایش کارایی تجهیزات و کاهش اندازه سیستم عمل می‌کند.

 

در مقایسه با مواد سیلیکونی سنتی، نیمه‌هادی‌های SiC دارای شکاف باند وسیع‌تر، میدان الکتریکی بحرانی بالاتر، تلفات رسانایی کمتر و عملکرد بالاتر{0}در دمای بالا هستند. این مزایا ماسفت‌های SiC را قادر می‌سازد تا در فرکانس‌های سوئیچینگ بالاتر کار کنند و در عین حال امکان کوچک‌سازی اجزای مغناطیسی و ساختارهای مدیریت حرارتی را فراهم می‌کنند و در نتیجه چگالی توان کلی را افزایش می‌دهند.

 

با این حال،-قابلیت های سوئیچینگ با سرعت بالا نیز چالش های مهندسی جدیدی را ایجاد می کند. با افزایش سرعت سوئیچینگ دستگاه های قدرت، نرخ تغییر جریان (di/dt) و ولتاژ (dv/dt) به طور قابل توجهی افزایش می یابد. تحت این شرایط، پارامترهای انگلی اجتناب ناپذیر در حلقه قدرت-به ویژه اندوکتانس سرگردان{4}}تأثیر قابل توجهی بر عملکرد سیستم دارند.

 

در طول سوئیچینگ با سرعت بالا، اندوکتانس سرگردان مطابق با این رابطه، ولتاژهای گذرا ایجاد می کند:

 

V=L × di/dt

 

هنگامی که جریان به سرعت تغییر می کند، حتی یک مقدار اندوکتانس سرگردان می تواند ولتاژ بیش از ده ها ولت یا بیشتر ایجاد کند. این ولتاژهای گذرا نه تنها تنش ولتاژ را بر روی دستگاه‌های برق افزایش می‌دهند، بلکه می‌توانند دستگاه‌ها را فراتر از منطقه عملیاتی ایمن (SOA) سوق دهند، در نتیجه قابلیت اطمینان سیستم را به خطر می‌اندازند.

 

در نتیجه، در سیستم‌های تبدیل توان بالا- مدرن، به حداقل رساندن اندوکتانس سرگردان حلقه قدرت به یک هدف طراحی حیاتی برای افزایش کارایی، بهبود عملکرد تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و اطمینان از عملکرد ایمن دستگاه‌های نیمه‌رسانا تبدیل شده است.

 

 

 

اندوکتانس ولگرد پارامتری نیست که توسط یک جزء مجزا تولید شود. بلکه نتیجه هندسه جمعی کل حلقه جاری است. این در درجه اول از اندوکتانس خود هادی ها و همچنین از پایانه های اتصال، کابل ها، ردپای PCB، بسته بندی داخلی ماژول قدرت و ساختارهای اتصال باسبار ناشی می شود.

 

در سیستم‌های قدرت سنتی که از شینه‌های مسی استاندارد یا دسته‌های سیم‌کشی استفاده می‌کنند، اغلب جدایی فضایی قابل توجهی بین مسیرهای جریان مثبت و منفی وجود دارد که باعث افزایش مساحت حلقه جریان می‌شود. طبق اصول الکترومغناطیس، هر چه مساحت حلقه بزرگتر باشد، دامنه میدان مغناطیسی تولید شده بیشتر و اندوکتانس انگلی مربوطه بیشتر می شود.

 

در سیستم‌های الکترونیکی توان فرکانس بالا، جریان به سادگی در طول یک رسانا جریان ندارد. در عوض، یک توزیع میدان الکترومغناطیسی پیچیده در سراسر فضای اطراف ایجاد می کند. بنابراین، کلید کاهش اندوکتانس سرگردان نه تنها در افزایش ضخامت شینه مسی، بلکه در بهینه‌سازی مسیر فعلی{2}} نزدیک کردن حلقه‌های مدار مثبت و منفی تا حد ممکن و به حداقل رساندن مناطقی است که انرژی میدان مغناطیسی در آن ذخیره می‌شود.

 

این دلیل اصلی استفاده گسترده از شینه‌های چند لایه با چگالی بالا-است.

 

 

یک شینه چند لایه یک ساختار اتصال{0}قدرت با کارایی بالا است که از ترکیب چندین لایه مواد رسانا با رسانه عایق تشکیل شده است. معمولاً دارای مواد بسیار رسانا-مثل مس یا آلومینیوم-به‌عنوان لایه‌های رسانا می‌باشد که با مواد عایق جدا شده‌اند که استحکام دی الکتریک عالی و پایداری مکانیکی را ارائه می‌دهند. کل مجموعه از طریق فرآیندهایی مانند پرس گرم، چسباندن چسب یا لمینیت به یک ساختار یکپارچه متصل می شود.

 

در مقایسه با شینه‌های مسی تک لایه سنتی، بزرگترین مزیت ساختار چند لایه توانایی آن در دستیابی به درجه بالایی از همپوشانی بین مسیرهای جریان مثبت و منفی است.

 

هنگامی که جریان هایی که در جهت مخالف جریان دارند از هادی های مجاور عبور می کنند، اصل لغو میدان الکترومغناطیسی اعمال می شود: میدان های مغناطیسی تولید شده توسط دو جریان با یکدیگر مخالف هستند و به طور موثر کل شار مغناطیسی تولید شده توسط حلقه جریان را کاهش می دهند و در نتیجه اندوکتانس معادل سیستم را کاهش می دهند.

 

در نتیجه، یک شینه چند لایه چیزی بیش از یک جزء اتصال مکانیکی است. این یک ساختار الکترومغناطیسی حیاتی است که بر عملکرد دینامیکی سیستم های الکترونیک قدرت تأثیر می گذارد.

 

در اینورترهای{0}قدرت بالا، مبدل‌های ذخیره انرژی و تجهیزات منبع تغذیه صنعتی، طراحی اندوکتانس پایین-به معیاری کلیدی برای بهینه‌سازی ساختارهای شینه تبدیل شده است. به عنوان مثال، برخی از برنامه‌های سوئیچینگ با سرعت بالا به باسبارهای چند لایه طراحی شده ویژه-مثل مواردی که در درایوهای فرکانس متغیر (VFD) استفاده می‌شوند- نیاز دارند تا نیازهای سیستم برای پاسخ سریع و عملکرد کم تلفات را برآورده کنند.

 

 

 

با افزایش سطح یکپارچه‌سازی تجهیزات الکترونیکی، شینه‌های چند لایه فراتر از بخش‌های سنتی منبع تغذیه صنعتی به حوزه‌های مختلف کاربردی-قدرت بالا گسترش یافته‌اند.

 

به عنوان مثال، سیستم های قدرت در سرورها، تجهیزات مخابراتی و مراکز داده به ساختارهای توزیع برق بسیار قابل اعتماد نیاز دارند تا تلفات انتقال را به حداقل برسانند. بر این اساس، باسبارهای چند لایه در-تجهیزات محاسباتی با چگالی بالا-مانند بردهای مدار سوپرکامپیوتر یا صفحات پشتی-برای اطمینان از تحویل توان پایدار برای پلت‌فرم‌های محاسباتی با سرعت{4} بالا استفاده می‌شوند.

 

در حوزه زیرساخت‌های مخابراتی، تجهیزات ایستگاه پایه{0}قدرت بالا همچنین به راه‌حل‌های اتصال برق فشرده و کارآمد نیاز دارند. باسبارهای چند لایه به طور موثر محدودیت‌های مربوط به فضا و نیاز به عملکرد مداوم در توزیع برق ایستگاه پایه سلولی را برآورده می‌کنند.

 

علاوه بر این، در سیستم‌های قدرت مقیاس بزرگ، از شینه‌های چند لایه در معماری‌های قدرت مدولار استفاده می‌شود، مانندباسبار واحد توزیع برق (PDU).ساختارهای{0}}برای تسهیل اتصالات کم-تلفات بین چندین ماژول قدرت و افزایش قابلیت اطمینان کلی سیستم.