Desmentir les més capes, una millor concepció errònia a les barres colectores laminates

Amb el ràpid desenvolupament de la nova energia, l'electrònica de potència i l'automatització industrial, les barres colectores laminates s'utilitzen àmpliament en sistemes d'emmagatzematge d'energia, inversors, vehicles d'energia nova, mòduls de potència i transport ferroviari a causa de la seva baixa inductància, alta integració i bon rendiment EMC. Sobretot en equips d'alta-freqüència i alta-potència, les barres colectores laminades de baixa-inducció han substituït gradualment les connexions de cable tradicionals, convertint-se en un component important dels sistemes d'alimentació moderns.

 

No obstant això, una idea errònia comuna persisteix a la indústria: que més capes en una barra colectora laminada signifiquen necessàriament un millor rendiment. En realitat, un disseny laminat és un projecte d'enginyeria sistemàtic que requereix una consideració integral de la inductància, la dissipació de calor, l'espai estructural, el cost i els escenaris d'aplicació. No hi ha una conclusió absoluta que "més capes equival a més avançades".

 

 

 

Les barres laminades solen estar compostes per diverses capes de barres conductores de coure i mitjans aïllants, units entre si mitjançant un procés de premsat-calent. Són barres de connexió d'estructura composta multi-típiques. Mitjançant l'optimització de la distància i la disposició entre els terminals positius i negatius, la inductància perduda del circuit es pot reduir significativament, millorant l'estabilitat operativa del sistema. Actualment, les especificacions principals de la indústria oscil·len principalment entre 2 i 6 capes, amb diferents números de capes corresponents a les diferents necessitats d'aplicació:

 

Les estructures de 2-capes solen ser adequades per a equips de baixa- a mitjana-potència, i ofereixen avantatges com processos de fabricació madurs, costos més baixos i instal·lació senzilla. Es troben habitualment a les barres bàsiques de la unitat de distribució d'energia, als inversors de baixa tensió i als sistemes generals de distribució d'energia industrial.

 

Les estructures de 3-capes són una de les solucions més utilitzades. Les barres colectores laminades de tres-capes aconsegueixen una millor distribució de corrent i un blindatge electromagnètic, oferint un alt cost-efectivitat en equips de potència mitjana. S'utilitzen àmpliament en inversors d'emmagatzematge d'energia, sistemes UPS i nous mòduls de control auxiliar d'energia.

 

Les estructures amb 4 o més capes s'utilitzen amb més freqüència en escenaris d'alta-freqüència, alta-potència i topologia complexa, com ara barres laminades en convertidors d'alta potència, barres laminades IGBT i sistemes PCS d'emmagatzematge d'energia a gran-escala. Els seus avantatges principals es troben en una menor inductància dispersa, capacitats EMC més fortes i una major integració del sistema.

 

 

 

I. Canvis en el rendiment elèctric

Amb un augment del nombre de capes, es pot formar una estructura d'acoblament més estreta entre els conductors positius i negatius, reduint així la inductància dispersa. Això és especialment important per als dispositius SiC d'alta-freqüència i els mòduls IGBT de commutació d'alta-velocitat.

 

Les barres de bus laminats personalitzades per a IGBT solen centrar-se en l'optimització de l'estructura entre capes de la barra colectora per reduir els pics de tensió i les interferències EMI generades durant la commutació.

 

Tanmateix, augmentar el nombre de capes no significa necessàriament una millora il·limitada del rendiment. Massa capes poden conduir a un augment de la capacitat parasitària entre capes, que, si els paràmetres no s'ajusten correctament, pot afectar negativament l'estabilitat del sistema. Per tant, quan es dissenya una barra colectora laminat per a un inversor de tres-nivells, els paràmetres d'inductància i de capacitat s'han d'equilibrar simultàniament.

 

II. Canvis en la capacitat de dissipació de calor

Les estructures multicapa poden ampliar el camí de conducció de calor i l'àrea de dissipació de calor, de manera que les barres multicapa solen tenir un augment de temperatura més baix en les mateixes condicions-de corrent.

 

En escenaris-actuals d'alta tensió, com ara barres d'inversor a prova d'explosió d'alta tensió-, les estructures multicapa poden reduir eficaçment els punts calents locals i millorar l'estabilitat operativa-a llarg termini.

 

Tanmateix, al mateix temps, augmentar el nombre de capes també comporta un augment del gruix total, ocupant més espai d'instal·lació. Per tant, en dispositius compactes, la disposició interna s'ha de considerar de manera exhaustiva.

 

III. Capacitats d'integració de sistemes millorades

Un dels majors avantatges de les barres colectores laminades és el seu alt grau d'integració. En comparació amb els arnes de cablejat tradicionals, les estructures multi-capes poden integrar simultàniament diversos llaços d'alimentació, llaços de senyal i sistemes de connexió a terra, reduint els nodes de connexió i millorant la fiabilitat del sistema.

 

Per exemple:

Les barres de bus laminat per a la distribució de plaques posteriors d'alimentació es poden utilitzar en sistemes d'alimentació industrials i de servidors.

Les barres de bus laminat per a la distribució de la placa posterior del router són adequades per a la font d'alimentació interna en equips de comunicació.

Les barres de bus laminats per a la distribució d'energia d'estació base cel·lular s'utilitzen àmpliament en estacions base 5G i fonts d'alimentació de comunicació.

En entorns de cablejat complexos, les barres de distribució laminats per a instal·lacions complexes de barres redueixen eficaçment els requisits d'espai i simplifiquen el procés d'instal·lació.

 

IV. Estabilitat estructural i capacitat anti-interferències

Les estructures multi-capes poden formar un bucle de blindatge electromagnètic més complet, millorant així la capacitat anti-interferència del sistema.

 

En els camps dels vehicles d'energia nova, els sistemes d'accionament elèctric i el transport ferroviari, les barres colectores del controlador de motor i les barres de bus laminats de metro tenen requisits de rendiment EMC elevats. Les estructures simètriques multi-capes poden reduir eficaçment els problemes de desequilibri actuals i millorar la capacitat d'operació estable-a llarg termini dels equips.

 

Per als sistemes de trànsit ferroviari i de tracció d'alta potència-, els mòduls de potència de quatre quadrants de la barra de distribució composta per a la font d'alimentació de trens de quatre-quadrants també han de suportar impactes dinàmics, suportar altes temperatures i mantenir un alt rendiment d'aïllament.
 

 

Tot i que les barres de-capes superiors ofereixen un rendiment superior, la complexitat de fabricació augmenta en conseqüència.

 

Els productes de dues- o tres-capes tenen processos relativament madurs, altes taxes de rendiment i costos de processament controlables.

 

Els productes de quatre-capes i superiors exigeixen més el control del gruix de la làmina de coure, la precisió de la laminació d'aïllament, els processos de premsat-en calent i la disposició simètrica. Això és especialment cert per a estructures especialitzades com barres parcialment laminades, que requereixen una precisió extremadament alta en el processament de zones d'aïllament i conducció locals.

 

A més, les estructures multi-capes signifiquen:

Augment del consum de matèries primeres;

Processos de laminació més complexos;

estàndards de prova més estrictes;

Cicles de producció més llargs.

 

Per tant, les solucions de-capa alta no són necessàriament adequades per a tots els projectes.

 

 

Per a equips de potència petita i mitjana amb una potència de sortida inferior a 100 kW, normalment són suficients dues o tres capes. Aquests escenaris inclouen aplicacions bàsiques com ara sistemes generals d'emmagatzematge d'energia, sistemes SAI petits i barres del sistema de font d'alimentació ininterrompuda (UPS).

 

Per als sistemes de potència mitjana--de mitjana a alta (de 100 kW a 500 kW), una estructura de 3 a 4 capes és més adequada per equilibrar el rendiment de la inductància, la dissipació de calor i els costos de fabricació.

 

Per als sistemes d'alta potència que superen els 500 kW, els convertidors de SiC d'alta-freqüència i els grans sistemes d'emmagatzematge d'energia, normalment es requereix una estructura de 4 a 6 capes per complir els requisits de menor inductància, capacitats EMC més altes i una dissipació de calor més forta.

 

Alguns exemples inclouen:

Barra colectora laminat per a cotxes elèctrics;

Barra de bus inversor a prova d'explosió d'alta tensió-

Sistemes de PCS d'emmagatzematge d'energia{0}}a gran escala;

Convertidors de freqüència d'alta tensió{0};

Sistemes d'accionament principal dels vehicles d'energia nova.

 

En circuits complexos, com ara les topologies multi-nivell, sovint es requereix una estructura de 3-a 5 capes per a la barra colectora laminada dels inversors de tres nivells per aconseguir camins de corrent simètrics i un control estable de compartició de corrent.

 

 

 

Concepció errònia 1: més capes significa necessàriament un millor rendiment

En realitat, el nombre de capes és l'únic paràmetre que afecta el rendiment.

El gruix de la barra de coure, el material d'aïllament, la disposició del circuit, l'espai entre conductors i la precisió del processament afecten directament el rendiment final.

L'augment cec del nombre de capes no només augmenta els costos, sinó que també pot afectar l'estabilitat de l'equip a causa dels canvis en els paràmetres paràsits.

 

Concepció errònia 2: els productes de-capa baixa són "solucions-de gamma baixa".

De fet, per a molts dispositius de potència petita i mitjana, les estructures de 2- a 3 capes són les solucions més madures, estables i rendibles.

Una barra colectora laminat de tres capes-ben dissenyada pot satisfer completament les necessitats de la majoria de les aplicacions industrials convencionals.

 

Concepció errònia 3: els productes amb el mateix nombre de capes tenen el mateix rendiment

Fins i tot amb el mateix nombre de capes, encara poden existir diferències significatives entre diferents dissenys.

Per exemple, la disposició de la làmina de coure, el material d'aïllament, el procés de premsat-calent i la simetria del conductor afecten directament el rendiment de les barres.

El rendiment real de les barres de coure d'alta -qualitat és sovint molt superior al dels productes d'estructura normal.

 

 

 

Amb el desenvolupament continu dels dispositius SiC, la tecnologia d'inversors d'alta-freqüència i els sistemes d'emmagatzematge d'energia, les barres colectores laminates evolucionen cap a freqüències més altes, una integració més gran i un refinament més gran.

 

En el futur, els camps electrònics de gamma alta-com ara les barres de bus laminats per a plaques de circuit de superordinadors o plaques posteriors impulsaran encara més el desenvolupament de barres colectores cap a una alta densitat, miniaturització i personalització.

 

Al mateix temps, els dissenys de barres de bus dedicats per a vehicles d'energia nova, electrònica de potència i equips de comunicació es segmentaran més, i la indústria posarà més èmfasi en l'"adaptació de l'aplicació" en lloc de perseguir simplement un augment del nombre de capes.

 

 

El valor bàsic de les barres colectores laminates no rau en "més capes", sinó en la seva capacitat per adaptar-se amb precisió als requisits de l'equip.

 

Un disseny de capa raonable hauria de tenir en compte de manera exhaustiva:

potència de l'equip;

Freqüència de commutació;

requisits d'EMC;

Capacitat de dissipació de calor;

Espai d'instal·lació;

Cost de fabricació;

Estabilitat operativa-a llarg termini.

 

Només mitjançant un disseny científic basat en escenaris d'aplicació reals es poden obtenir avantatges de rendimentBarres de bus laminat, components electrònics passius, es realitzin realment, aconseguint l'equilibri òptim entre l'eficiència del sistema, la fiabilitat i el cost.