ارزش شین‌های چند لایه در سیستم‌های درایو فرکانس متغیر ولتاژ بالا-: فناوری کلیدی برای کاهش اندوکتانس انگلی و افزایش قابلیت اطمینان تبدیل نیرو

 

همانطور که فناوری الکترونیک قدرت به سمت ولتاژهای بالاتر، جریان‌های بزرگ‌تر، فرکانس‌های بالاتر و چگالی توان بیشتر تکامل می‌یابد، دستگاه‌های نیمه‌رسانای قدرت-که نمونه‌ای از IGBT است{1}}کاربرد گسترده‌ای در درایوهای فرکانس متغیر صنعتی، درایوهای موتور، تجهیزات انرژی جدید و سیستم‌های قدرت هوشمند پیدا کرده‌اند. درایوهای فرکانس متغیر ولتاژ بالا، به عنوان تجهیزات حیاتی برای تبدیل انرژی الکتریکی، باید عملکرد راندمان بالا-در عین دستیابی به قابلیت اطمینان برتر، طراحی ساختاری فشرده، و سازگاری الکترومغناطیسی عالی را تضمین کنند.

 

در محیط‌های سوئیچینگ فرکانس بالا، عملکرد دینامیکی دستگاه‌های قدرت نه تنها تحت تأثیر پارامترهای داخلی آن‌ها، بلکه همچنین تحت تأثیر ساختارهای اتصال متقابل اطراف قرار می‌گیرد. قابل توجه، اندوکتانس انگلی تولید شده در اتصال باس DC یک عامل کلیدی است که بر عملکرد سوئیچینگ ماژول های قدرت تأثیر می گذارد. روش‌های اتصال متقابل سنتی با استفاده از کابل‌ها یا شینه‌های گسسته تمایل به ایجاد نواحی حلقه جریان بزرگ دارند که منجر به اندوکتانس سرگردان بالا می‌شود. این به نوبه خود منجر به افزایش ولتاژ، نوسانات و تلفات اضافی در طول فرآیند سوئیچینگ می شود.

 

در نتیجه، بهینه‌سازی ساختار حلقه توان و به حداقل رساندن پارامترهای انگلی به اولویت‌های فنی حیاتی در طراحی سیستم‌های درایو فرکانس متغیر ولتاژ بالا تبدیل شده است. به لطف اندوکتانس کم، یکپارچگی بالا و عملکرد الکتریکی عالی، شینه های چند لایه به طور فزاینده ای به راه حل ترجیحی برای اتصال فعلی در تجهیزات الکترونیکی قدرت مدرن تبدیل شده اند.

 

 

 

در حلقه برق یک درایو با فرکانس متغیر ولتاژ بالا، دستگاه‌های نیرو مانند IGBT باید عملیات سوئیچینگ با سرعت بالا را انجام دهند. هنگامی که یک دستگاه برق از حالت-روشن به حالت خاموش{4}}تغییر می‌یابد، جریان بار-که تغییرات مداوم را نشان می‌دهد- نمی‌تواند فوراً متوقف شود. در عوض، انتقال باید از طریق یک مسیر آزاد کامل شود.

 

در حالت ایده آل، در یک حلقه قدرت عاری از اندوکتانس انگلی، تغییر ولتاژ در سراسر دستگاه عمدتاً توسط ولتاژ باس تعیین می شود. با این حال، در کاربردهای عملی، ساختار باس، هادی های اتصال و بسته بندی داخلی ماژول های قدرت، همگی سطح خاصی از اندوکتانس انگلی را ایجاد می کنند. هنگامی که جریان به سرعت تغییر می کند، این اندوکتانس انگلی یک ولتاژ شمارنده- مطابق با قوانین القای الکترومغناطیسی تولید می کند. این ولتاژ بر روی ولتاژ دستگاه قدرت قرار می گیرد و ولتاژهای گذرا ایجاد می کند.

 

با افزایش سطح ولتاژ سیستم و فرکانس سوئیچینگ، نرخ تغییر جریان (di/dt) به طور پیوسته افزایش می‌یابد و تأثیر اندوکتانس انگلی را به طور فزاینده‌ای قابل توجه می‌سازد. افزایش بیش از حد ولتاژ نه تنها تلفات سوئیچینگ در دستگاه های برق را افزایش می دهد، بلکه ممکن است از قابلیت تحمل ولتاژ نامی IGBT نیز فراتر رود و خطر خرابی دستگاه را ایجاد کند.

 

بنابراین، در سیستم‌های تبدیل توان بالا-کاهش اندوکتانس سرگردان در حلقه قدرت یک اقدام حیاتی برای افزایش پایداری سیستم و افزایش طول عمر دستگاه‌های قدرت است.

 

 

شینه چند لایه یک ساختار اتصال الکتریکی یکپارچه است که از اتصال چندین لایه رسانا با مواد عایق مطابق با مشخصات طراحی تشکیل شده است. در مقایسه با روش‌های اتصال سنتی با استفاده از میله‌ها یا کابل‌های مسی گسسته، ساختار چند لایه به طور قابل توجهی مسیرهای جریان را کوتاه می‌کند و فاصله فیزیکی بین هادی‌های مثبت و منفی را کاهش می‌دهد.

 

یک سازه چند لایه متشکل از چندین لایه هادی مسی و رسانه های عایق-مثل{{1}مس با رسانایی بالا- است که از طریق ماشینکاری دقیق و تکنیک های لایه بندی عایق به یکدیگر متصل شده اند تا یک مجموعه پایدار را تشکیل دهند.

 

در طول عملیات، جریان در جهت مخالف در لایه های رسانای مجاور جریان می یابد. میدان های مغناطیسی ایجاد شده توسط این دو لایه یکدیگر را خنثی می کنند. این انرژی میدان مغناطیسی ذخیره شده در حلقه جریان را کاهش می دهد و اندوکتانس انگلی معادل را کاهش می دهد. این اثر لغو الکترومغناطیسی یک مزیت کلیدی است که شینه های چند لایه را از شینه های سنتی متمایز می کند.

 

برای سیستم‌های قدرتی که نیاز به فرکانس بالا و پاسخ سریع دارند-مانند درایوهای موتور که از ماژول‌های IGBT استفاده می‌کنند{2}}یک طراحی اندوکتانس کم{3}}به طور مؤثری ولتاژ بیش از حد ناشی از سوئیچینگ‌های گذرا را به حداقل می‌رساند و به دستگاه‌های قدرت اجازه می‌دهد در محدوده امن‌تری کار کنند.

 

در کاربردهای مهندسی عملی، شین‌های چند لایه معمولاً برای اتصال خازن‌های فیلتر، ماژول‌های قدرت و دستگاه‌های نیمه‌رسانای قدرت استفاده می‌شوند. با بهینه‌سازی فاصله لایه‌های داخلی و مسیرهای جریان، امپدانس کمتر و قابلیت اطمینان بالاتر در انتقال نیرو به دست می‌آیند.

 

 

 

کاهش نوک ولتاژ و افزایش قابلیت اطمینان سیستم

در طول کارکرد VFDهای ولتاژ بالا، ماژول‌های قدرت باید در مقابل عملکردهای سوئیچینگ جریان بالا{1} مکرر مقاومت کنند. روش‌های اتصال سنتی، که با حلقه‌های مدار طولانی‌تر مشخص می‌شوند، تمایل دارند اندوکتانس انگلی قابل توجهی را جمع کنند، که منجر به افزایش شدید ولتاژ در طول رویدادهای خاموش-می‌شود.

 

استفاده از شینه های مسی چند لایه به طور موثر مسیر کموتاسیون فعلی را فشرده می کند و در نتیجه یک حلقه توان فشرده تر ایجاد می کند. سطوح اندوکتانس پایین‌تر دامنه اضافه ولتاژ و استرس الکتریکی روی ماژول‌های قدرت را کاهش می‌دهد، در حالی که وابستگی به مدارهای حفاظتی اضافی را کاهش می‌دهد. این رویکرد بهینه سازی ساختاری موثرتر از کاهش سرعت سوئیچینگ است. در حالی که کاهش سرعت سوئیچینگ می تواند افزایش ولتاژ را کاهش دهد، به طور همزمان زمان سوئیچینگ و تلفات برق را افزایش می دهد. در مقابل، کاهش پارامترهای انگلی ذاتی در ساختار اتصال به خودی خود امکان بهبود عملکرد سیستم را بدون به خطر انداختن قابلیت‌های سوئیچینگ با سرعت بالا فراهم می‌کند.

 

افزایش کارایی مونتاژ و فعال کردن طراحی مدولار

باسبارهای سنتی اغلب به ساخت و اتصال در سایت نیاز دارند تا با محدودیت‌های فضایی تجهیزات سازگار شوند. این فرآیند نصب پیچیده و مستعد خطای انسانی است. علاوه بر این، روش های اتصال توزیع شده می تواند حجم سیم کشی را افزایش دهد و در نتیجه تعمیر و نگهداری سیستم را پیچیده کند.

 

شینه های چند لایه دارای طراحی یکپارچه هستند که هادی ها، لایه های عایق و رابط های اتصال را در یک جزء مدولار ترکیب می کند و فرآیند نصب را استاندارد می کند. برای تجهیزات الکتریکی صنعتی، این ساختار نه تنها مراحل مونتاژ را کاهش می دهد، بلکه ثبات تولید را نیز افزایش می دهد.

 

در-تجهیزات قدرت با قابلیت اطمینان بالا-مانند واحدهای توزیع نیرو (PDUs)-طراحی‌های باسبار مدولار، ساختار توزیع جریان واضح‌تر را تسهیل می‌کنند و سهولت نگهداری را بهبود می‌بخشند.

 

کاهش امپدانس سیستم و بهینه سازی عملکرد فرکانس بالا-

فراتر از کاهش اندوکتانس انگلی، شینه های چند لایه امپدانس کم و ویژگی های خازن توزیع شده خاص را ارائه می دهند. نزدیکی هادی ها یک ساختار کوپلینگ الکتریکی پایدار ایجاد می کند و عملکرد انتقال جریان را در فرکانس های بالا بهبود می بخشد.

 

برای سیستم‌های کنترل PWM با فرکانس بالا، ساختار اتصال امپدانس پایین- نوسانات ولتاژ را به حداقل می‌رساند و بازده تبدیل توان را افزایش می‌دهد و در عین حال احتمال تداخل الکترومغناطیسی (EMI) را کاهش می‌دهد.

 

برای مثال، در کاربردهای محرک موتور، شین‌ها باید به طور همزمان نیازمندی‌های ظرفیت حمل جریان بالا، اندوکتانس پایین و پایداری حرارتی طولانی‌مدت را برآورده کنند تا از عملکرد قابل اعتماد و مداوم سیستم محرک موتور اطمینان حاصل شود.

 

اتلاف گرما و سازگاری با محیط شینه های چند لایه

تجهیزات{0}قدرت بالا در طول کارکرد طولانی مدت گرمای قابل توجهی تولید می کنند. شینه‌های مسی حجیم و سنتی از نظر ساختاری با توجه به مسیرهای اتلاف گرما محدود هستند و مقاومت بالاتر آنها باعث افزایش خود{2}}گرمایش در هادی‌ها می‌شود.

 

شینه های چند لایه از یک ساختار رسانای نازک و عریض استفاده می کنند که ناحیه موثر اتلاف گرما را گسترش می دهد و راندمان جریان هوا را بهبود می بخشد. علاوه بر این، تلفات مقاومتی کمتر تولید گرما را در حین کار کاهش می دهد و به طور موثر افزایش دمای سیستم را کنترل می کند.

 

در محیط های پیچیده صنعتی، تجهیزات باید عواملی مانند لرزش، رطوبت، گرد و غبار و نوسانات دما را نیز تحمل کنند. در مقایسه با سازه های سنتی متشکل از چندین اتصال دهنده گسسته، ساختارهای چند لایه یکپارچه پایداری مکانیکی و عملکرد عایق برتری را ارائه می دهند.

 

به عنوان مثال، در برنامه‌های اینورتر با جریان بالا، شین‌ها نه تنها باید انتقال جریان بالا را انجام دهند، بلکه باید از عایق و استحکام مکانیکی قابل اعتماد در طول کار-دراز مدت اطمینان حاصل کنند.

 

 

از آنجایی که تجهیزات الکترونیک قدرت به سمت کوچک سازی و راندمان بالاتر می روند، استفاده از شین های چند لایه فراتر از درایوهای فرکانس متغیر سنتی-به طیف وسیع تری از کاربردها گسترش یافته است.

 

در بخش برق مخابراتی، شین‌های چند لایه نیاز به اتصالات فشرده در ماژول‌های{0}}قدرت با چگالی بالا را برآورده می‌کنند و در نتیجه استفاده از فضای داخلی را بهبود می‌بخشند.

 

در مراکز داده و سیستم‌های توزیع برق سرور، شین‌های چند لایه، معماری‌های توزیع برق را بهینه می‌کنند و امکان تحویل جریان بالا{0}} پایدارتر را فراهم می‌کنند.

 

شین های چند لایه همچنین نقش حیاتی در ذخیره سازی انرژی، وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم های قدرت صنعتی دارند. به عنوان مثال، باسبارهای کنترل کننده موتور باید انتقال جریان بالا را در فضاهای محدود تسهیل کنند و در عین حال پاسخ سیستم کنترل سریع را تضمین کنند.

 

علاوه بر این، در سیستم‌های منبع تغذیه بدون وقفه (UPS)، شین‌ها به به حداقل رساندن تلفات اتصال و افزایش پایداری عملیاتی کلی سیستم کمک می‌کنند.

 

 

 

رشد وسایل نقلیه انرژی جدید، سیستم‌های ذخیره انرژی، اتوماسیون صنعتی و شبکه‌های هوشمند، تقاضاهای سختگیرانه‌تری را بر روی ساختارهای اتصال تجهیزات الکترونیک قدرت ایجاد کرده است. پیشرفت‌های آتی در شین‌های چند لایه بر چندین حوزه کلیدی متمرکز خواهد بود:

 

اول، طراحی اندوکتانس پایین-روند اصلی خواهد بود. با پذیرش فزاینده دستگاه‌های قدرت با سرعت بالا مانند SiC و IGBT، باسبارها برای پشتیبانی از عملکرد فرکانس بالاتر به بهینه‌سازی مداوم مسیرهای فعلی نیاز دارند.

 

دوم، سطوح بالاتر ادغام باعث همگرایی شین‌ها با ماژول‌های قدرت، خازن‌ها و سیستم‌های کنترل می‌شود که در نتیجه ساختارهای سیستم فشرده‌تری ایجاد می‌شود.

 

در همین حال، پیشرفت‌ها در علم مواد و فرآیندهای تولید، طرح‌های انعطاف‌پذیر و سبک وزن را تقویت می‌کنند. برای مثال، شینه‌های چند لایه انعطاف‌پذیر می‌توانند با طرح‌بندی‌های فضایی پیچیده سازگار شوند و انعطاف‌پذیری اتصال را در تجهیزات انرژی جدید افزایش دهند.

 

 

در درایوهای فرکانس-متغیر ولتاژ بالا{{1} و سیستم‌های الکترونیک قدرت مدرن، اندوکتانس انگلی به‌عنوان یک عامل حیاتی بر کارایی، ایمنی و قابلیت اطمینان تجهیزات ظاهر شده است. شینه های چند لایه به طور موثری اندوکتانس سرگردان در مدارهای قدرت را با بهینه سازی طرح رسانا، کوتاه کردن مسیرهای جریان و استفاده از اصل لغو میدان مغناطیسی کاهش می دهند.

 

در مقایسه با روش های اتصال سنتی،شینه های چند لایهنه تنها ولتاژ سوئیچینگ را کاهش می دهد و قابلیت اطمینان دستگاه های قدرت را افزایش می دهد، بلکه عملکرد حرارتی را بهبود می بخشد، فرآیندهای مونتاژ را ساده می کند و سازگاری سیستم را با محیط های عملیاتی پیچیده افزایش می دهد.

 

همانطور که تجهیزات الکترونیک قدرت به سمت توان بالاتر، فرکانس‌های بالاتر و یکپارچگی بیشتر تکامل می‌یابند، شین‌های چند لایه نقش حیاتی فزاینده‌ای در بخش‌هایی مانند درایوهای فرکانس متغیر صنعتی، وسایل نقلیه جدید انرژی، ذخیره‌سازی انرژی، سیستم‌های تامین برق، و تولید هوشمند خواهند داشت.