تجزیه و تحلیل روندها و کاربردها در فناوری شینه‌های چند لایه: راه‌حل‌های اتصال القایی پایین-برای سیستم‌های برق با توان بالا{1}}

 

با توسعه سریع بخش‌هایی مانند وسایل نقلیه انرژی جدید (NEV)، سیستم‌های ذخیره انرژی، منابع تغذیه صنعتی و شبکه‌های هوشمند، تجهیزات الکترونیک قدرت به سمت چگالی توان بالاتر، رتبه‌بندی ولتاژ بالاتر و ساختارهای فشرده‌تر در حال تکامل هستند. در مقابل این پس زمینه، اتصالات کابلی سنتی و ساختارهای شینه مسی استاندارد به طور فزاینده‌ای قادر به پاسخگویی به نیازهای برنامه‌های مربوط به سوئیچینگ با سرعت بالا، عملکرد فرکانس بالا-و محیط‌های پیچیده مدیریت حرارتی نیستند.

 

به عنوان یک جزء اتصال الکتریکی پیشرفته، شینه چند لایه- که با لایه‌گذاری چند لایه هادی و مواد عایق در یک ساختار یکپارچه شکل می‌گیرد، به طور مؤثری اندوکتانس انگلی در حلقه جریان را کاهش می‌دهد و سرعت پاسخ سیستم و پایداری عملیاتی را افزایش می‌دهد. در حال حاضر، این فناوری به طور گسترده در سیستم‌های درایو الکتریکی NEV، مبدل‌های ذخیره انرژی، اینورترهای صنعتی، حمل‌ونقل ریلی و سیستم‌های منبع تغذیه با کارایی بالا استفاده می‌شود.

 

در مقایسه با روش‌های اتصال سنتی، مزیت اصلی شین‌های چند لایه در بهینه‌سازی مسیرهای انتقال جریان است. با قرار دادن محکم هادی های مثبت و منفی (یا هادی ها در پتانسیل های مختلف)، سطح حلقه جریان به حداقل می رسد. این اجازه می دهد تا میدان های مغناطیسی تولید شده توسط جریان هایی که در جهت مخالف جریان دارند، یکدیگر را خنثی کنند و در نتیجه اندوکتانس سرگردان را کاهش دهند. این امر مخصوصاً برای سیستم‌هایی که از دستگاه‌های قدرت با سرعت بالا استفاده می‌کنند مانند IGBT و SiC MOSFET بسیار مهم است، زیرا به طور مؤثری افت ولتاژ را در حین سوئیچینگ کاهش می‌دهد و قابلیت اطمینان تجهیزات را بهبود می‌بخشد.

 

در بخش NEV، ارتقای مستمر پلت‌فرم‌های{0}ولتاژ بالا نیازمند اجزای اتصال الکتریکی است تا به طور همزمان نیازهای ظرفیت انتقال جریان-، طراحی سبک وزن، و بهینه‌سازی فضا را برآورده کنند. به عنوان مثال، شینه واحد توزیع نیرو (PDU) در سیستم‌های باتری ولتاژ بالا{3} باید توزیع نیرو، اتصالات حفاظتی و رسانش جریان قابل اعتماد را انجام دهد و تقاضاهای بالاتری را برای خواص مواد و طراحی ساختاری ایجاد کند.

 

با نگاهی به آینده، با توسعه سکوهای 800 ولت و ولتاژ بالاتر، شین‌های چند لایه نقش محوری فزاینده‌ای در سیستم‌های نیرومحرکه انرژی جدید خواهند داشت.
 

 

شینه های چند لایه معمولاً از لایه های رسانا، لایه های عایق و لایه های محافظ تشکیل شده اند. رساناها عمدتاً از مس یا آلومینیوم بسیار رسانا ساخته شده‌اند، در حالی که مواد عایق-مانند PET، PI، یا رزین اپوکسی{2}}بر اساس رتبه‌بندی ولتاژ، محیط‌های حرارتی و الزامات کاربردی خاص انتخاب می‌شوند.

 

فرآیند تولید به طور کلی شامل مهر زنی دقیق، خمش، عملیات سطح، لمینیت عایق و قالب گیری نهایی لمینیت است. با کنترل دقیق فاصله بین لایه ها و ابعاد ساختاری، می توان به اندوکتانس پایین و انتقال توان بسیار مطمئن- دست یافت.

 

در سیستم‌های منبع تغذیه سوئیچینگ با سرعت بالا، اندوکتانس مستقیماً بر عملکرد اجزای قدرت تأثیر می‌گذارد. اندوکتانس بیش از حد حلقه می تواند منجر به افزایش ولتاژ بالا در هنگام سوئیچینگ شود که عملکرد ایمن قطعات را به خطر می اندازد. در نتیجه، طراحی اندوکتانس پایین{3}}یک مشخصات فنی حیاتی برای شینه های چند لایه است.

 

برای کاربردهای درایو با سرعت بالا در اتوماسیون صنعتی، باسبارهای چند لایه طراحی شده برای درایوهای فرکانس متغیر (VFD) طرح هادی را برای کاهش طول حلقه جریان بهینه می‌کنند و در نتیجه کارایی عملیاتی سیستم فرکانس متغیر را افزایش می‌دهند.

 

شینه های چند لایه علاوه بر کاهش اندوکتانس، مزایای زیر را نیز دارند:

 

اول، آنها استفاده از فضا را بهبود می بخشند. سیم کشی های سنتی به فضای مسیریابی قابل توجهی نیاز دارند، در حالی که ساختار چند لایه چندین مسیر رسانا را در یک ردپای فشرده ادغام می کند و امکان طراحی تجهیزات فشرده تر را فراهم می کند.

 

دوم، آنها قابلیت های مدیریت حرارتی را افزایش می دهند. هادی‌های مسی{1}}سطح{2} بزرگ، چگالی جریان موضعی و افزایش دما را کاهش می‌دهند و پایداری عملیاتی طولانی‌مدت را بهبود می‌بخشند.

 

سوم، آنها قابلیت اطمینان مونتاژ را افزایش می دهند. ساختار یکپارچه تعداد نقاط اتصال را به حداقل می رساند و خطر خرابی ناشی از عواملی مانند شل شدن پیچ ها یا اکسیداسیون تماس را کاهش می دهد.

 

در زمینه محاسبات با عملکرد بالا، سیستم‌های قدرت باید-سرعت بالا-تحویل جریان بالا را پشتیبانی کنند. بنابراین، باسبارهای چند لایه طراحی شده برای بردهای مدار سوپرکامپیوتر یا صفحات پشتی، الزامات اتصالات برق فشرده و بسیار قابل اعتماد در سرورها و پلتفرم‌های محاسباتی را برآورده می‌کنند.

 

 

 

در حال حاضر، تقاضای رو به رشد برای شینه های چند لایه عمدتاً توسط بخش هایی مانند وسایل نقلیه انرژی جدید (NEVs)، سیستم های ذخیره انرژی، اینورترهای صنعتی و مراکز داده هدایت می شود.

 

بسته‌های باتری، کنترل‌کننده‌های موتور، و سیستم‌های{0}توزیع برق با ولتاژ بالا در NEV، همگی به ساختارهای انتقال نیرو پایدار و قابل اعتماد نیاز دارند. در مقایسه با اتصالات سیم مسی سنتی، شینه‌های چند لایه وزن را کاهش می‌دهند و استفاده از فضا را بهبود می‌بخشند و در عین حال از عملکرد قابل اعتماد تحت شرایط ارتعاشی{2}}معمولی در محیط‌های خودرو اطمینان می‌دهند.

 

در سیستم‌های کنترل موتور، شینه‌های کنترل‌کننده موتور، اتصالات جریان{0} بالا بین ماژول‌های قدرت را انجام می‌دهند که به مقاومت کم، اندوکتانس کم و اتلاف حرارت عالی نیاز دارند. همانطور که توان خروجی NEV ها افزایش می یابد، این برنامه ها خواسته های سختگیرانه فزاینده ای را در طراحی شینه ها ایجاد می کنند.

 

رشد صنعت ذخیره‌سازی انرژی باعث ارتقای فناوری برای شین‌های چند لایه شده است. سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ-شامل خوشه‌های باتری، ماژول‌های تبدیل نیرو و واحدهای کنترل{3}}به ساختارهای توزیع برق بسیار قابل اعتماد نیاز دارند. بهینه سازی طراحی چند لایه به کاهش تلفات سیستم و بهبود راندمان تبدیل انرژی کمک می کند.

 

در بخش زیرساخت‌های مخابراتی، افزایش تقاضای برق ایستگاه‌های پایه 5G و تجهیزات محاسباتی لبه‌ای، ساختارهای توزیع برق با چگالی بالا را به تمرکز اصلی تبدیل کرده است. شین‌های چند لایه طراحی‌شده برای توزیع برق ایستگاه پایه سلولی، طرح‌بندی قدرت پایدارتر و فشرده‌تری را در تجهیزات مخابراتی امکان‌پذیر می‌سازند.

 

در همین حال، مراکز داده نیازمندی‌های جدیدی را برای توزیع-قدرت-با چگالی بالا تعیین می‌کنند. با توجه به فضای محدود داخل رک های سرور، نیاز به راه حل های اتصال برق کارآمد، ایمن و قابل اعتماد وجود دارد. در نتیجه،شینه های چند لایه برای توزیع برق رک-به طور فزاینده ای به یک جزء حیاتی از سیستم های قدرت مرکز داده مدرن تبدیل می شوند.