اصول کار شینه چند لایه و تحلیل کاربردی مهندسی

باسبارهای چند لایه، اجزای اتصال الکتریکی با کارایی بالا هستند که به طور گسترده در سیستم‌های الکترونیک قدرت مورد استفاده قرار می‌گیرند، و عمدتاً کاربردهایی را ارائه می‌کنند که به جریان بالا، اندوکتانس کم و قابلیت اطمینان بالا نیاز دارند. با پیشرفت فناوری الکترونیک قدرت به سمت فرکانس‌های بالاتر، چگالی توان بالاتر و یکپارچه‌سازی سیستم، محدودیت‌های کابل‌های سنتی یا باسبارهای تک لایه از نظر اندوکتانس، اتلاف گرما و سازگاری الکترومغناطیسی به طور فزاینده‌ای آشکار می‌شوند. شینه های چند لایه، با طراحی ساختاری منحصر به فرد و ویژگی های الکترومغناطیسی خود، به تدریج به یک جزء اساسی کلیدی در سیستم های الکترونیک قدرت مدرن تبدیل شده اند و جایگاه مهمی را در راه حل های یکپارچه{4}}سطح سیستم مانند Bus Bar for Power Electronics Bunding Solutions اشغال کرده اند.

 

 

شینه های چند لایه معمولاً از چندین لایه رسانا و عایق متناوب تشکیل شده اند که یک ساختار مسطح فشرده را تشکیل می دهند. لایه‌های رسانا اغلب از مواد فلزی با رسانایی بالا مانند مس یا آلومینیوم استفاده می‌کنند که محلول‌های مبتنی بر مس-متداول‌ترین آن‌ها هستند، به‌ویژه در سیستم‌های انرژی جدید با قدرت{{2} مانند Copper Bus Bar برای انرژی جایگزین. لایه عایق از موادی با مقاومت حرارتی خوب، استحکام دی الکتریک و پایداری مکانیکی مانند پلی آمید، رزین اپوکسی یا فیلم پلی پروپیلن ساخته شده است.

 

هر لایه رسانا از نظر الکتریکی توسط یک محیط عایق ایزوله می شود در حالی که حداقل فاصله بین لایه ها را حفظ می کند، بنابراین یک حلقه جریان بسیار جفت شده را تشکیل می دهد. نواحی اتصال معمولاً از طریق پیچ و مهره، جوشکاری یا چین خوردگی به دستگاه های قدرت خارجی مانند خازن ها، ماژول های IGBT یا واحدهای نیمه هادی قدرت متصل می شوند. این ساختار را می توان برای کاربردهای خاص بسیار سفارشی کرد و یکی از ارزش های مهندسی اصلی طراحی باس بار چند لایه است.

 

 

اصل کار شینه های چند لایه بر اساس پایه های فیزیکی کوپلینگ میدان الکترومغناطیسی، کنترل توزیع جریان و بهینه سازی هدایت حرارتی است.

 

اول، در سیستم‌های الکترونیکی با فرکانس بالا، جریان به سرعت تغییر می‌کند و اندوکتانس حلقه مستقیماً بر تلفات سیستم و پایداری ولتاژ تأثیر می‌گذارد. شینه های چند لایه، با قرار دادن محکم لایه های رسانای مثبت و منفی، هادی هایی با جهت جریان مخالف را به هم نزدیک می کنند و باعث می شوند که میدان های مغناطیسی ایجاد شده یکدیگر را خنثی کنند و در نتیجه اندوکتانس حلقه را به میزان قابل توجهی کاهش دهند. این ویژگی اندوکتانس پایین به ویژه برای دستگاه‌هایی مانند اینورترها، دستگاه‌های SVG و BusBars برای ژنراتورهای جبرانی توان راکتیو دینامیکی ولتاژ بالا SVG بسیار مهم است.

 

ثانیا، ساختار هادی مسطح شینه های چند لایه، توزیع یکنواخت جریان را تسهیل می کند. در مقایسه با گذرگاه‌های گرد یا تک ردیفی سنتی، جریان کمتر در نواحی محلی متمرکز می‌شود، بنابراین گرمای بیش از حد موضعی کاهش می‌یابد و پایداری کلی جریان-حمل می‌شود. این ویژگی به ویژه در سیستم های باس DC مانند باسبارهای چند لایه برای اتصال IGBT ها و بانک های خازن مهم است.

 

ثالثاً، شینه‌های چند لایه، اتلاف حرارت عالی را ارائه می‌دهند. ساختار مسطح مساحت بزرگ-آنها امکان اتلاف سریع گرما در هادی ها و لایه های عایق را فراهم می کند، که سپس از طریق همرفت طبیعی یا سازه های خنک کننده خارجی به محیط رها می شود و به طور موثر افزایش دما را کنترل می کند. این ویژگی به‌ویژه در پیوندهای DC با توان بالا، مانند باسبارهای چند لایه برای پیوندهای DC خازن برقی و میله‌های گذرگاه لایه‌ای با خازن دی‌الکتریک دی‌الکتریک فیلم پلی‌پروپیلن برجسته است.

 

علاوه بر این، به دلیل متقارن بودن و اتصال محکم لایه‌های الکترود مثبت و منفی، شین‌های چند لایه می‌توانند تابش الکترومغناطیسی را به میزان قابل توجهی کاهش دهند و درجه خاصی از سرکوب در برابر تداخل الکترومغناطیسی خارجی را فراهم کنند، در نتیجه سازگاری الکترومغناطیسی سیستم (EMC) را بهبود بخشند. در نهایت، شین‌های چند لایه، با جایگزینی مسیریابی کابل پیچیده با یک ساختار یکپارچه، به طور موثر اتصالات سیستم داخلی را ساده می‌کنند، قوام مونتاژ را بهبود می‌بخشند و راحتی نگهداری را افزایش می‌دهند.

 

 

در مقایسه با هادی‌های سنتی یا راه‌حل‌های شینه‌های تک واحدی-، شینه‌های چند لایه مزایای زیادی در کاربردهای مهندسی دارند. اندوکتانس کم آنها به کاهش تلفات سوئیچینگ و افزایش ولتاژ کمک می کند و حاشیه ایمنی عملکرد دستگاه های قدرت را افزایش می دهد. ظرفیت حمل جریان بالا آنها را برای سیستم‌های-قدرت بالا مناسب می‌سازد. طراحی ساختاری فشرده آنها کوچک سازی و مدولارسازی سیستم را تسهیل می کند. اتلاف حرارت عالی و عملکرد EMC به طور قابل توجهی قابلیت اطمینان کلی سیستم را بهبود می بخشد. به طور همزمان، ساختار مکانیکی پایدار و توزیع جریان یکنواخت آنها طول عمر سیستم را افزایش می دهد. این ویژگی‌ها میله‌های اتوبوس چند لایه برای کاربردهای صنعتی را به یک گزینه مهم در طراحی سیستم‌های قدرت صنعتی تبدیل می‌کند.

 

 

شینه های چند لایه به طور گسترده در کاربردهای مختلف با چگالی توان بالا و الزامات قابلیت اطمینان مورد استفاده قرار می گیرند. در زمینه تجهیزات الکترونیک قدرت، معمولاً در اینورترها، مبدل های فرکانس و سیستم های UPS استفاده می شود. در زمینه انرژی جدید، شین‌های چند لایه جزء کلیدی اینورترهای فتوولتائیک و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی هستند، مانند باسبارهای چند لایه برای اینورترهای PV. در وسایل نقلیه انرژی جدید، شینه های چند لایه در کنترل کننده های موتور، سیستم های مدیریت باتری و واحدهای توزیع برق ولتاژ بالا استفاده می شود. در اتوماسیون صنعتی، آنها در درایوهای سروو و سیستم های کنترل ربات استفاده می شوند. و در تجهیزات الکترونیکی و محاسباتی پیشرفته، استفاده از میله های اتوبوس چند لایه برای رایانه ها نیز مشهود است.

 

علاوه بر این، در طرح‌هایی که بر ایمنی الکتریکی و حفاظت از سیستم تاکید دارند، شین‌های چند لایه را می‌توان برای برآورده کردن الزامات برنامه‌ها، مانند Bus Bar Customized for Electrical Protection Solutions، از نظر عملکردی سفارشی کرد.

 

 

شینه های چند لایه از طریق ادغام بالای رساناها و مواد عایق، عملکرد جامعی از اندوکتانس کم، توزیع جریان یکنواخت، اتلاف گرما کارآمد و سازگاری الکترومغناطیسی خوب را به دست می آورند. مکانیسم کار آنها بر اساس اصول فیزیکی اساسی مانند لغو میدان الکترومغناطیسی، بهینه سازی مسیر جریان و کنترل هدایت گرما است. همانطور که سیستم های الکترونیک قدرت به سمت قدرت بالاتر، فرکانس بالاتر و یکپارچگی بالاتر تکامل می یابند،شینه های چند لایهبه ایفای نقش مهمی در زمینه‌های انرژی جدید، الکترونیک قدرت و تجهیزات پیشرفته ادامه خواهد داد و به یک فناوری اتصال اساسی ضروری در سیستم‌های الکتریکی مدرن تبدیل خواهد شد.