Desenvolupament i aplicació de tecnologia de barres de bus laminat en sistemes elèctrics per a vehicles d'emmagatzematge solar-plus-i de nova energia

Amb el ràpid desenvolupament de la generació d'energia fotovoltaica, els sistemes d'emmagatzematge d'energia, els vehicles d'energia nova i l'electrònica de potència d'alta-potència, els convertidors de potència estan evolucionant cap a una densitat de potència més alta, freqüències de commutació més altes i més fiabilitat. Si bé el rendiment dels dispositius semiconductors de potència continua millorant, els paràmetres paràsits derivats de la disposició del conductor, les estructures d'interconnexió i l'embalatge del dispositiu s'han convertit en factors crítics que afecten el rendiment global del sistema.

 

Com a estructura d'interconnexió clau dins del circuit de potència, el paper de les barres colectores laminates s'ha expandit més enllà de la simple transmissió d'energia per incloure el control de paràmetres paràsits, la gestió tèrmica i el disseny de compatibilitat electromagnètica (EMC). Particularment en condicions de commutació d'alta-freqüència, l'estructura de la barra colectora influeix directament en la inductància periòdica del bucle de commutació i en la superació de tensió durant la commutació dels dispositius de potència; en conseqüència, s'ha convertit en un component vital en el disseny estructural dels sistemes d'emmagatzematge FV-plus- i sistemes d'accionament elèctric per a vehicles d'energia nova.

 

 

 

En els sistemes tradicionals de potència de baixa-freqüència, les barres de distribució gestionen principalment la transmissió d'alta-corrent, amb dissenys d'enginyeria centrats en el corrent nominal, l'augment de temperatura, l'espai lliure d'aïllament i la resistència mecànica. Tanmateix, l'adopció de dispositius semiconductors de potència-com ara els IGBT i els MOSFET de SiC-capaços de commutació d'alta-velocitat ha donat lloc a taxes de canvi significativament més elevades de corrent i tensió. Com a resultat, la inductància parasitària inherent als propis conductors exerceix una influència més pronunciada en el procés de commutació.

 

Quan hi ha una inductància dispersa significativa al circuit de potència, els corrents que canvien ràpidament generen tensions transitòries a través de la inductància. L'excés de tensió pot augmentar l'estrès de tensió als dispositius elèctrics i provocar oscil·lacions d'alta-freqüència i interferències electromagnètiques. Per tant, reduir la inductància dispersa del bucle de commutació és un objectiu de disseny crucial per millorar l'estabilitat dels convertidors d'alta potència-.

 

Estructuralment, les barres de coure tradicionals d'una-capa o les connexions de cable sovint requereixen camins de corrent llargs i mantenen un espai substancial entre els terminals positius i negatius, creant grans àrees de bucle. En canvi, les estructures laminades minimitzen la distància entre conductors positius i negatius, apropant els camins de corrent que flueixen en direccions oposades. Això millora l'efecte de cancel·lació del camp magnètic, reduint així la inductància dispersa equivalent de tot el circuit de potència.

 

Actualment, les barres colectores laminades s'utilitzen àmpliament en convertidors d'alta-potència, inversors, sistemes de conversió de potència d'emmagatzematge d'energia (PCS), controladors de motors i sistemes d'accionament elèctric per a vehicles d'energia nova. En els convertidors d'alta-potència, les barres colectores laminates utilitzen una estructura compacta i en capes per escurçar els bucles de potència, proporcionant així un entorn de connexió elèctrica més controlable per als dispositius de commutació d'alta-velocitat.

 

 

Les barres colectores laminades solen consistir en múltiples capes metàl·liques conductores i capes dielèctriques aïllants. Les capes conductores poden estar fetes de materials com ara coure o alumini, depenent dels requisits del sistema de corrent, voltatge i estructura mecànica; Les capes aïllants proporcionen aïllament elèctric entre capes alhora que garanteixen la resistència tèrmica, la capacitat de resistència a la tensió i la fiabilitat mecànica.

 

La seva característica de baixa-inductància prové principalment de l'acoblament estret entre conductors positius i negatius. Quan els corrents que flueixen en direccions oposades travessen dues capes conductores, els camps magnètics resultants també es dirigeixen de manera oposada. Com que la distància entre els dos camins de corrent és mínima, una part important del flux magnètic s'anul·la a l'espai circumdant, reduint així l'energia del camp magnètic emmagatzemada dins del bucle de commutació.

 

En conseqüència, paràmetres com l'espai entre conductors, la longitud efectiva del bucle, l'amplada del conductor i la disposició de la trajectòria actual són factors crítics en el disseny de barres de bus laminat. En general, reduir la longitud del bucle, minimitzar l'espai efectiu entre conductors positius i negatius i optimitzar l'amplada del conductor ajuden a reduir la inductància paràsit.

 

Aquest avantatge estructural fa que les barres laminades siguin adequades no només per a la transmissió de potència estàndard, sinó també per a sistemes electrònics de potència que requereixen una alta resposta dinàmica. Per exemple, les barres laminades de baixa-inductància s'optimitzen estructuralment sovint per a circuits de commutació d'alta-velocitat, utilitzant dissenys de baixa-inductància per mitigar l'excés de tensió durant la commutació del dispositiu.

 

 

 

Els inversors fotovoltaics (PV) i els convertidors d'emmagatzematge d'energia solen incloure diversos circuits d'alimentació, inclòs el costat de CC, mòduls de commutació d'alimentació, unitats de filtratge i el costat de sortida de CA. A mesura que augmenten les classificacions de potència del sistema, el cablejat tradicional i les connexions de barres de coure discretes s'enfronten a reptes com ara requisits d'espai excessius, circuits llargs i acoblaments electromagnètics complexos.

 

En els sistemes d'emmagatzematge d'energia, la sortida d'energia de CC dels grups de bateries requereix una conversió d'energia per a la integració de la xarxa, el subministrament de càrrega o la recàrrega. Les fluctuacions ràpides i altes-de corrent dins de l'enllaç DC fan exigències estrictes a l'estructura de les barres. Una distància excessiva entre els mòduls de potència i els condensadors d'enllaç DC pot augmentar l'àrea del bucle de commutació, augmentant així la inductància perduda.

 

En conseqüència, els convertidors d'energia d'emmagatzematge d'energia moderns sovint utilitzen un disseny coordinat per a condensadors de CC, mòduls d'alimentació i barres colectores per minimitzar els camins de corrent d'alta-freqüència i aconseguir un acoblament estret entre els terminals positius i negatius mitjançant conductors laminats. Per als equips que requereixen un equilibri entre una gran-capacitat de càrrega de corrent i una utilització eficient de l'espai, les barres colectores laminades ofereixen una solució d'interconnexió compacta i multi-capes.

 

En sistemes d'emmagatzematge d'energia d'alta tensió i d'energia industrial especialitzats, el disseny de les barres també ha de tenir en compte l'espai lliure d'aïllament, la distribució del camp elèctric, el muntatge mecànic i la seguretat en condicions de funcionament anormals. Per tant, el disseny no pot centrar-se únicament en la "baixa inductància"; en canvi, s'ha d'assolir un equilibri racional entre les característiques de rendiment elèctriques, aïllants, tèrmiques i mecàniques.
 

 

 

Els sistemes d'accionament elèctric dels vehicles d'energia nova solen requerir interconnexions d'alta-potència entre bateries, condensadors, inversors i controladors de motor dins d'un espai reduït. A mesura que les tensions de la plataforma dels vehicles canvien cap a nivells més alts, els circuits de potència cada cop demanen baixa inductància, pèrdues baixes i alta integració.

 

Dins dels inversors d'accionament elèctric, les barres han de gestionar corrents transitoris importants mantenint les relacions espacials adequades amb els mòduls de potència, els condensadors d'enllaç DC i els sistemes de control. Les barres colectores laminats per a vehicles elèctrics utilitzen estructures de diverses capes-per escurçar els camins actuals i utilitzen dissenys compactes per maximitzar l'eficiència de l'espai en els sistemes d'interconnexió elèctrica.

 

A més, les barres dels vehicles de nova energia han de suportar condicions ambientals exigents, com ara vibracions, cicles tèrmics, xocs mecànics i càrregues de corrent sostinguda. En comparació amb els mètodes de cablejat senzills, les barres colectores estructurades faciliten dissenys estandarditzats per a posicions de muntatge, espais d'aïllament i interfícies de connexió.

 

Per a diferents nivells de tensió i circuits funcionals, es poden implementar dissenys en capes-categoritzats per terminals positius/negatius, enllaços DC, sortides de CA i interfícies de control-per millorar la modularitat del sistema d'interconnexió elèctrica. Una estructura de barres ben-dissenyada redueix els punts de connexió innecessaris i minimitza l'espai de muntatge consumit per arnes de cablejat complexos.

 

 

Amb l'avenç de l'electrònica de potència d'alta tensió-, els inversors de diversos-nivells s'utilitzen cada cop més en l'emmagatzematge d'energia, accionaments de motor i sistemes d'alimentació industrials. En comparació amb les topologies tradicionals de dos-nivells, els sistemes de tres-nivells presenten circuits d'alimentació més complexos i múltiples nivells de potencial; en conseqüència, les barres colectores han de gestionar tant els requisits d'interconnexió com d'aïllament a través de múltiples nodes elèctrics.

 

En el cas de barres laminades per a inversors de tres-nivells, normalment s'han de configurar diverses capes conductores segons la topologia específica per mantenir les relacions espacials adequades entre els camins d'alimentació a diferents potencials. El procés de disseny requereix tenir en compte no només la-capacitat de transport de corrent de cada capa conductora, sinó també les relacions d'inductància paràsit i d'inductància mútua entre les capes.

 

La simetria estructural també és crucial per a barres multicapa. Les discrepàncies significatives en les longituds dels camins, les àrees de-secció transversal dels conductors o els punts de connexió entre branques paral·leles poden provocar una distribució dinàmica desigual del corrent entre els mòduls de potència. Durant el funcionament-a llarg termini, aquest desequilibri es pot manifestar amb augments de temperatura localitzats i variacions en la tensió dels components.

 

En conseqüència, el disseny de barres multicapa requereix una anàlisi exhaustiva que integri la topologia del circuit, la disposició espacial 3D i la simulació electromagnètica, en lloc de dependre únicament de dimensions mecàniques 2D.

 

 

El material d'aïllament d'una barra colectora laminada no només serveix per aïllar les capes, sinó que també influeix en les dimensions estructurals generals, la capacitat de resistència a la tensió, el rendiment tèrmic i la fiabilitat-a llarg termini. En sistemes d'alta tensió-, el disseny d'aïllament ha de tenir en compte la tensió d'operació, la sobretensió transitòria, la distància de fuga, l'espai lliure, la temperatura i les condicions ambientals.

 

Tot i que reduir la distància entre les capes conductores ajuda a reduir la inductància dispersa, alhora exigeix ​​més el disseny d'aïllament. Per tant, l'espai entre capes s'ha d'optimitzar en funció de la tensió de funcionament i les propietats del material, en lloc de minimitzar simplement el gruix de l'aïllament.

 

Per a aplicacions que impliquen altes tensions o entorns durs, les barres d'inversor a prova d'explosió d'alta tensió-{1}} també han d'abordar riscos potencials, com ara curtcircuits anormals, descàrregues parcials, expansió tèrmica i xocs mecànics. Les propietats clau d'aïllament-incloses la rigidesa dielèctrica, la classificació de la temperatura i l'-estabilitat a llarg termini-s'han de verificar mitjançant proves adequades.

 

A més, àrees com les vores dels conductors, els forats dels cargols, els terminals de connexió i les transicions entre capes són propenses a la concentració de camp elèctric; Es requereixen mesures com l'arrodoniment, el xamfranat, l'embolcall d'aïllament i l'optimització estructural per mitigar la intensitat del camp elèctric local.

 

 

Tot i que les barres colectores laminades ofereixen una excel·lent integració espacial, la seva estructura multicapa altera els camins de transferència de calor. Durant el funcionament-a llarg termini amb corrents elevats, les barres de coure generen calor Joule, mentre que la capa d'aïllament influeix en la conducció de calor entre les diferents capes conductores.

 

En conseqüència, el disseny de barres requereix una avaluació exhaustiva de factors com ara el gruix del conductor, la densitat de corrent, la temperatura ambient, els mètodes de dissipació de calor i la distribució tèrmica dels components de potència adjacents. Per a equips d'alta-potència, les simulacions tèrmiques o les proves d'augment-de la temperatura real són essencials per verificar la distribució de la temperatura entre les diferents zones.

 

Una densitat de corrent local excessiva pot provocar punts calents importants. Per tant, l'amplada del conductor i els punts de connexió s'han d'optimitzar per garantir una distribució uniforme del corrent, evitant l'amuntegament important del corrent a les connexions cargolades, corbes terminals i zones amb retallades.

 

 

A mesura que augmenta el nivell d'integració dels equips electrònics de potència, confiar en dimensions de barres totalment estandarditzades és cada cop més difícil. Hi ha variacions significatives entre equips pel que fa als mòduls d'alimentació, condensadors de CC, espai d'instal·lació i ubicacions d'interfície; per tant, les barres estan dissenyades normalment per adaptar-se a topologies de circuits específiques i restriccions mecàniques.

 

El disseny personalitzat va més enllà d'ajustar la longitud o l'amplada; inclou múltiples aspectes, com ara el nombre de capes conductores, el gruix del coure, els materials d'aïllament, els tipus de terminals, les ubicacions dels forats de muntatge i les configuracions de flexió. La "Barra de bus laminat personalitzada per a IGBT" representa un enfocament de disseny típic on l'estructura s'adapta a les interfícies específiques dels mòduls de potència i als dissenys del sistema.

 

En enginyeria pràctica, el desenvolupament de barres personalitzades normalment inclou diverses etapes: verificació esquemàtica elèctrica, disseny estructural 3D, simulació electromagnètica, anàlisi tèrmica, fabricació de prototips i proves/validació. Aquest procés permet la detecció precoç de possibles problemes-com ara interferències físiques, augment excessiu de la temperatura, problemes d'inductància o fallades d'aïllament-abans de la producció en massa.

 

 

Més enllà dels sectors de les noves energies i els convertidors industrials, les barres colectores laminades s'adopten cada cop més en fonts d'alimentació de telecomunicacions, servidors, centres de dades i sistemes d'alimentació d'alta-densitat. A mesura que augmenta la densitat de potència dels equips informàtics, els mètodes tradicionals de cablejat i connexió distribuïda s'enfronten a reptes creixents pel que fa a la utilització de l'espai i l'eficiència de la distribució actual.

 

A les arquitectures de potència d'alta-densitat, les barres de connexió compostes de múltiples-capes permeten la integració de múltiples capes potencials en una estructura compacta, facilitant la distribució centralitzada d'energia entre diversos nodes d'acord amb la topologia del sistema. Els centres de dades i els equips de telecomunicacions solen exigir una alta fiabilitat per al funcionament continu; en conseqüència, el disseny de les barres ha de tenir en compte no només la capacitat de càrrega actual-, sinó també l'augment de la temperatura, l'aïllament, la distància de manteniment i la fiabilitat mecànica. Les configuracions compactes de connexió laminat ajuden a minimitzar el cablejat complex i milloren l'organització de les connexions d'alimentació dins dels armaris d'equips.

 

 

Els sistemes de trànsit ferroviari es caracteritzen per requisits d'alta potència, la necessitat d'una alta fiabilitat i entorns operatius complexos. Els components de potència dels convertidors de tracció han de funcionar en condicions que impliquen cicles freqüents d'arrencada-aturada i càrregues fluctuants; per tant, les estructures de connexió de potència han de complir simultàniament els requisits de baixa inductància, gran capacitat de corrent i fiabilitat mecànica.

 

Les barres colectores laminades són adequades per a connexions de potència compactes en equips de conversió d'energia de trànsit ferroviari; Els dissenys optimitzats escurcen els bucles de potència i redueixen la petjada espacial associada a les connexions de cable tradicionals.

 

En equips com els convertidors de freqüència variable (VFD) industrials, els controladors de motors i les fonts d'alimentació ininterrompuda (SAI), les barres de distribució faciliten la transmissió d'energia del costat de CC-i la interconnexió dels components de commutació. A mesura que augmenta la densitat de potència de l'equip, les barres estan evolucionant de components conductors simples a elements estructurals funcionals que són integrals al disseny elèctric, tèrmic i mecànic general del sistema.

 

 

 

A mesura que els semiconductors de-banda buida-amplia, com ara el SiC i el GaN-, tinguin una adopció més àmplia, les velocitats de commutació i les freqüències de funcionament dels dispositius de potència continuaran augmentant. En conseqüència, les estructures de connexió d'alimentació hauran de mostrar paràmetres paràsits més baixos i un rendiment superior d'alta-freqüència.

 

Una direcció futura clau per a la tecnologia de barres laminades és l'escurçament encara més dels bucles de potència i la integració més profunda de condensadors, sensors i altres elements funcionals directament al conjunt de barres. -El disseny conjunt d'aspectes de gestió estructural, elèctric i tèrmica permet augmentar encara més la densitat de potència de tot el sistema de conversió d'energia.

 

Simultàniament, la fabricació de barres es basarà cada cop més en el disseny digital i la validació basada en simulació{0}}. Tècniques com la simulació electromagnètica 3D, la simulació tèrmica i l'anàlisi d'elements finits mecànics (FEA) permeten la predicció de mètriques clau de rendiment abans de crear prototips, reduint així els costos associats a les modificacions iteratives del disseny.

 

Pel que fa a l'àmbit d'aplicació,barres colectores laminadescontinuarà expandint-se a sectors com ara vehicles d'energia nova, emmagatzematge d'energia, unitats de freqüència variable industrials, trànsit ferroviari, centres de dades i fonts d'alimentació d'alta-potència. La seva proposta de valor bàsica passarà d'una simple connectivitat d'alta-actualitat a paràmetres paràsits baixos, solucions d'alta integració, alta fiabilitat i interconnexió d'energia a nivell-del sistema. En general, tot i que les barres laminades són components d'interconnexió fonamentals en els sistemes electrònics de potència, el seu disseny estructural afecta directament el rendiment de commutació dels dispositius d'alimentació, l'EMI del sistema, la gestió tèrmica i la fiabilitat operativa a llarg termini.

 

Per a equips d'alta-potència, alta-freqüència i alta-tensió, el disseny de barres s'ha convertit en una intersecció crítica entre l'enginyeria elèctrica i l'estructura. A mesura que la nova energia i els equips electrònics de potència-de gamma alta continuen evolucionant cap a densitats de potència més altes, les tecnologies de barres centrades en la baixa inductància, l'aïllament altament fiable, la distribució uniforme del corrent i la integració modular es convertiran en àrees clau per a l'optimització dels sistemes d'interconnexió d'energia en la següent etapa de desenvolupament.