Les barres colectores laminades en sistemes electrònics d'emmagatzematge fotovoltaic-més-i d'alta-potència: tendències en disseny de fiabilitat i inductància dispersa baixa

A mesura que els sistemes electrònics de potència-com els de generació d'energia fotovoltaica, inversors d'emmagatzematge d'energia, vehicles elèctrics i trànsit ferroviari-evolucionen cap a densitats de potència més altes i freqüències de commutació més altes, les velocitats de commutació dels dispositius de potència han augmentat. En conseqüència, l'impacte dels paràmetres paràsits interns en el rendiment operatiu ha esdevingut cada cop més significatiu. En aquest context, les barres colectores laminades han evolucionat des de connectors simples per a la transmissió d'energia fins a components estructurals crítics que influeixen en la inductància del bucle de potència, la superació de tensió, la gestió tèrmica i la compatibilitat electromagnètica (EMC).

 

En els convertidors de potència tradicionals, les barres de distribució serveixen principalment per transmetre potència CC i proporcionar connexions elèctriques entre diverses unitats de potència. Tanmateix, quan els sistemes utilitzen dispositius de potència d'alta-velocitat com ara IGBT, MOSFET de SiC o dispositius GaN, els elevats di/dt i dv/dt generats durant els transitoris de commutació amplifiquen els efectes dels paràmetres paràsits dins del bucle de potència. Si l'estructura de les barres està mal dissenyada, una inductància periòdica del bucle important pot provocar un sobrepassament de tensió pronunciat i una oscil·lació d'alta freqüència durant la commutació; això augmenta l'estrès de tensió als dispositius i exigeix ​​més el control EMI del sistema.

 

Per tant, en equips de conversió d'alta-potència, la selecció de barres ja no es pot basar únicament en la-capacitat de càrrega actual; També s'han de tenir en compte factors com ara la topologia elèctrica, l'àrea del bucle, l'aïllament entre capes, la conductivitat tèrmica, el muntatge mecànic i la distribució de corrent d'alta-freqüència. Les estructures de baixa-inductància s'han convertit en un focus clau en el disseny d'interconnexió d'energia, especialment per a aplicacions de commutació d'alta-velocitat.
 

 

 

Les barres colectores laminades es formen normalment apilant, posicionant i laminant dues o més plaques metàl·liques conductores amb capes dielèctriques aïllants en una configuració específica. Els materials conductors habituals inclouen el coure i els aliatges de coure, tot i que es poden utilitzar materials com l'alumini en funció del pes, el cost i els requisits-de transport actuals. Els materials d'aïllament entre capes han de complir requisits estrictes pel que fa a la rigidesa dielèctrica, la resistència a la temperatura, l'estabilitat mecànica i la fiabilitat-a llarg termini.

 

En comparació amb les barres de coure discretes tradicionals, l'avantatge principal de l'estructura laminat és la seva capacitat per posicionar camins conductors de polaritat oposada o potencials diferents en proximitat. Quan els corrents que flueixen en direccions oposades passen per conductors adjacents, els seus respectius camps magnètics s'anul·len entre si parcialment, reduint així l'energia efectiva del camp magnètic i la inductància paràsit del bucle de commutació.

 

Per als convertidors-d'alta potència, aquesta estructura és especialment adequada-per minimitzar el camí de commutació actual entre el bus de CC i els mòduls de potència. Amb un disseny adequat, una barra colectora no només facilita la transmissió d'alta-intensitat, sinó que també redueix l'àrea del bucle de commutació d'alta-freqüència a nivell estructural, creant així condicions de funcionament més estables per als dispositius de potència d'-alta velocitat.

 

El recompte de capes de barres varien en funció de la topologia del circuit. Per exemple, un convertidor de dos-nivells pot utilitzar una estructura de doble-capa (pols positius i negatius), mentre que un convertidor de diversos-nivells pot requerir capes addicionals-com ara un punt neutre o altres nivells potencials{- donant com a resultat una configuració de múltiples capes{-com una barra de tres-capa. A mesura que augmenta el nombre de capes, les qüestions relatives a l'aïllament elèctric, l'acoblament de paràmetres paràsits i la gestió tèrmica es tornen més complexes; en conseqüència, es requereix un enfocament de disseny holístic adaptat a la topologia específica.

 

 

 

La inductància dispersa dins del bucle de potència sorgeix principalment dels propis conductors, dels terminals de connexió, de l'estructura interna dels mòduls de potència i de la disposició espacial de les barres. Tot i que els dissenyadors no introdueixen intencionadament aquestes inductàncies, exerceixen efectes dinàmics significatius durant les operacions de commutació d'alta-velocitat.

 

Basant-se en principis inductius fonamentals, fins i tot una inductància paràsita mínima pot generar tensions transitòries substancials quan la velocitat de canvi de corrent és alta. Per als dispositius de commutació d'alta-velocitat, un bucle de commutació massa llarg o una gran separació entre els camins de corrent positiu i negatiu augmenta la probabilitat de sobrepassar la tensió i de sonar d'alta-freqüència.

 

Un enfocament principal en el disseny de barres laminades és minimitzar la distància entre els camins de corrent positiu i negatiu i escurçar la distància de connexió entre els mòduls de potència i els condensadors d'enllaç DC. L'optimització de l'espai entre conductors redueix l'àrea tancada pel bucle de commutació, facilitant el control de l'acoblament del camp magnètic i la inductància paràsit del bucle.

 

Per tant, quan es dissenyen barres laminades per a convertidors d'alta-potència, els enginyers han de tenir en compte tot el bucle de commutació en lloc de centrar-se només en les dimensions de la barra. El posicionament relatiu dels condensadors, mòduls de potència, terminals de connexió i barres de distribució influeixen en els paràmetres finals del bucle.

 

 

La baixa inductància no obvia la necessitat de disseny tèrmic. A mesura que augmenta la potència del sistema, augmenta la càrrega de corrent contínua a la barra colectora; simultàniament, la commutació d'alta-velocitat subjecta la distribució de corrent d'alta-freqüència a la pell i efectes de proximitat.

 

A freqüències més altes, el corrent no es manté uniformement distribuït per la secció transversal-del conductor, sinó que tendeix a concentrar-se en àrees de superfície específiques. Si l'amplada, el gruix i l'espai entre capes de la barra no estan dissenyats de manera òptima, es poden produir problemes com ara augments localitzats de la densitat de corrent i augments concentrats de temperatura.

 

Per tant, el disseny de la-secció transversal de la barra colectora requereix equilibrar la capacitat de càrrega-de corrent, les pèrdues de CA, la resistència mecànica i les condicions de dissipació de calor. Per als convertidors d'emmagatzematge d'energia d'alta-potència, a més de calcular la capacitat de càrrega de corrent continu-, és essencial tenir en compte les variacions de la resistència de CA a les freqüències de funcionament reals i verificar el disseny mitjançant proves d'augment de temperatura.

 

Tot i que una estructura laminada pot reduir l'àrea del bucle actual, l'estructura d'aïllament multi-capes pot alterar la trajectòria de dissipació de calor des del conductor cap a l'exterior. En conseqüència, durant el procés de disseny s'han de tenir en compte factors com el gruix de la capa de coure, el material aïllant, els mètodes de muntatge i les condicions de refrigeració externa. Es poden requerir diferents estratègies de disseny tèrmic per a les estructures de barres en funció de si l'equip utilitza refrigeració natural, refrigeració-per aire forçat o refrigeració líquida.

 

 

En els sistemes reals, la inductància parasitària no es limita al cos principal de la barra colectora; També poden sorgir paràmetres paràsits significatius a les zones de connexió entre la barra colectora i components com ara mòduls de potència, condensadors i altres parts elèctriques.

 

Els cargols de connexió, les transicions de terminals, els corbes localitzats i els canvis bruscos en la secció-del conductor poden alterar el camí actual. Si el punt de connexió està lluny del dispositiu d'alimentació, tot el bucle de commutació pot mostrar una inductància paràsit substancial, fins i tot si la barra principal empra una estructura laminada de baixa -inductància.

 

Per tant, els dissenys d'enginyeria haurien de minimitzar les estructures de transició innecessàries i garantir la continuïtat dels camins de corrent d'alta{0}}freqüència. Per als sistemes que requereixen connexions multi-punts, la simetria geomètrica entre les branques paral·leles s'ha de mantenir tant com sigui possible per garantir una trajectòria elèctrica i característiques d'impedància similars entre les branques.

 

Principis de disseny similars s'apliquen en àrees com ara barres colectores laminades per a vehicles elèctrics i sistemes d'accionament elèctric d'alta tensió{0}. A mesura que els sistemes d'accionament elèctric evolucionen cap a tensions i densitats de potència més altes, les barres no només han de complir els requisits de transmissió de corrents elevats-, sinó que també s'han d'adaptar a un espai d'instal·lació limitat i a estructures mecàniques complexes.

 

 

En equips industrials pràctics, les barres colectores rarament es troben en espais d'instal·lació oberts i regulars. Les restriccions espacials estrictes imposades pels mòduls d'alimentació, condensadors, dissipadors de calor, taulers de control i components estructurals sovint requereixen configuracions de barres que incloguin corbes, retallades, ramificacions i connexions multi-capes. Per a les barres colectores laminades utilitzades en instal·lacions complexes, l'enfocament del disseny s'estén més enllà de les dimensions del conductor per incloure la precisió d'alineació entre capes, els límits d'aïllament i la consistència de les interfícies de muntatge.

 

Els forats i retallades a la barra de distribució alteren els camins locals de corrent. Si aquestes característiques es troben a prop de les zones de commutació primària, el corrent es pot veure forçat a desviar-se al seu voltant, afectant així la densitat de corrent local i els paràmetres paràsits. En conseqüència, la ubicació, la mida i el tractament de les vores de les obertures s'han d'avaluar durant la fase de disseny estructural per evitar que els requisits de muntatge mecànic afectin negativament el rendiment elèctric.

 

En sistemes d'alta tensió{0}, també s'ha d'abordar la concentració de camp elèctric a les vores dels conductors i les interfícies d'aïllament. L'ús adequat de radis, xamfers i encapsulament d'aïllament pot mitigar la millora del camp elèctric local i reduir el risc de fallada de l'aïllament durant el funcionament a llarg termini-.

 

 

Quan les tensions del bus de CC arriben a nivells de diversos centenars de volts o més, el disseny de la barra de bus transcendeix la transmissió de corrent simple; també ha de tenir en compte l'espai lliure, la distància de fuga, la rigidesa dielèctrica i la fiabilitat de l'aïllament{0}}a llarg termini.

 

En els inversors d'alta tensió-, el material d'aïllament entre les capes conductores ha de suportar tant la tensió de funcionament contínua com la tensió de voltatge repetitiva causada pels transitoris de commutació. Per a equips especialitzats-com ara barres d'inversor d'alta-tensió-a prova d'explosió-, el disseny estructural també s'ha d'alinear amb les classificacions de protecció d'entrada d'equips (IP), les condicions ambientals i els estàndards de seguretat.

 

La selecció del material d'aïllament ha de tenir en compte la temperatura de funcionament a llarg termini, la rigidesa dielèctrica, la resistència mecànica, la resistència a la humitat i les característiques d'envelliment. Per als sistemes de commutació d'alta-freqüència i-velocitat, l'estabilitat a llarg termini-del material sota tensions repetitives dv/dt també és una consideració crítica.

 

Al mateix temps, simplement maximitzar el gruix de l'aïllament no és l'enfocament òptim. Un aïllament massa gruixut augmenta l'espai entre conductors, augmentant així l'àrea del bucle de commutació i augmentant potencialment la inductància paràsit. Per tant, el disseny pràctic requereix aconseguir un equilibri raonable entre els marges de seguretat d'aïllament i l'objectiu de minimitzar la inductància.

 

 

 

A mesura que evolucionen els equips de conversió d'energia de mitjana- i alta-tensió, s'adopten cada cop més les topologies multinivell als convertidors d'emmagatzematge d'energia, a les unitats de freqüència variable-industrials (VFD) i als sistemes electrònics de potència d'alta-tensió. Tot i que les estructures de tres-nivells permeten que la tensió de tensió dels components es distribueixi en diversos nivells de potencial, també introdueixen una major complexitat a l'estructura de la barra colectora. Quan es dissenyen barres laminades per a inversors de tres-nivells, la barra general ha de gestionar les connexions elèctriques que involucren terminals positius, neutres i negatius simultàniament. Com que els camins de commutació actuals poden canviar en funció de l'estat de funcionament, el disseny de la barra no es pot optimitzar per a un sol estat; en canvi, ha d'acomodar bucles de commutació a tots els estats de commutació primaris.

 

Els esforços de disseny també prioritzen mantenir la simetria geomètrica entre les branques de potència. Les disparitats significatives en les longituds del camí entre branques paral·leles poden conduir a una distribució dinàmica del corrent desigual, fent que certs components suportin càrregues de corrent més altes i estrès tèrmic.

 

Aquesta és una de les raons clau per les quals les barres composites multi-capes són molt valuoses en equips d'alta-potència. En combinar múltiples capes de conductors amb materials aïllants, aquestes barres permeten connexions compactes que impliquen múltiples potencials de tensió i ramificacions dins d'una empremta limitada, alhora que ofereixen una major flexibilitat de disseny pel que fa al control de la inductància i la disposició mecànica.

 

 

L'aplicació de barres laminades s'ha estès més enllà de les fonts d'alimentació industrials tradicionals a sectors com ara l'emmagatzematge d'energia, l'automoció, les telecomunicacions, la informàtica, el transport ferroviari i la maquinària industrial-de gamma alta.

 

En les unitats de freqüència variable (VFD) i els sistemes de control de motors, les barres de baixa{0}}inductància escurcen el camí de commutació d'alta-freqüència entre els components de potència i els condensadors d'enllaç DC-; en conseqüència, les barres colectores laminates són una opció estàndard per a les arquitectures VFD. Per als controladors de motors d'alta-potència, els dissenys també han de tenir en compte l'alta-capacitat de càrrega de corrent, el cicle tèrmic i la vibració mecànica.

 

Els centres de dades i els sistemes informàtics d'alt rendiment -demanen sovint una gran densitat de potència i una instal·lació compacta. Les barres es poden disposar en configuracions de múltiples-capes dins d'armaris per donar servei a fonts d'alimentació del servidor, plaques posteriors i xarxes de distribució d'energia. En aquests entorns, les barres colectores laminates per a plaques de circuits de superordinadors o plaques posteriors han d'equilibrar les limitacions d'espai i una alta densitat de corrent amb els requisits de compatibilitat electromagnètica (EMC) entre els sistemes de senyal i d'alimentació.

 

La infraestructura de telecomunicacions presenta requisits similars. Les estacions base, els encaminadors i els equips d'alimentació de telecomunicacions sovint requereixen la interconnexió de diversos mòduls d'alimentació dins d'un espai estructural limitat, la qual cosa requereix dissenys de barres que facilitin la instal·lació modular i el subministrament d'energia de baixa-impedància. En aquests equips, s'utilitzen barres de distribució laminats dissenyades per a la distribució d'energia d'estació base cel·lular per crear camins de distribució d'energia compactes. Per a servidors i equips de comunicació, les barres de la unitat de distribució d'energia (PDU) solen servir com a punts centralitzats de distribució d'energia per a múltiples branques de càrrega; el seu disseny estructural ha de prioritzar la-capacitat de càrrega actual, l'augment de temperatura, l'aïllament i la facilitat de manteniment.

 

 

Els vehicles de nova energia (NEV) representen una àrea d'aplicació clau per a estructures d'interconnexió de corrent continu d'alta-potència. A mesura que augmenten els nivells de tensió dels sistemes d'accionament elèctric i augmenten les densitats de potència, els arnes de cablejats tradicionals i els mètodes de connexió distribuïts s'enfronten a limitacions pel que fa a l'espai, la-capacitat de transport de corrent i la gestió tèrmica.

 

Les barres de distribució dels NEV solen connectar sistemes de bateries, inversors, controladors de motor i altres components d'alta-tensió; en conseqüència, el seu disseny estructural ha d'abordar simultàniament la-capacitat de càrrega del corrent, l'aïllament elèctric, la durabilitat de les vibracions i la disposició espacial.

 

Els sistemes d'emmagatzematge d'energia posen més èmfasi en la fiabilitat operativa-a llarg termini. Els convertidors d'emmagatzematge d'energia a gran-escala sovint gestionen altes tensions i corrents elevats, i les estructures de barres afecten directament el rendiment de la connexió entre els mòduls de potència, els condensadors i altres unitats elèctriques. Una estructura laminada-ben dissenyada permet bucles de potència més curts en un espai limitat i facilita la instal·lació modular d'equips.

 

Per a fonts d'alimentació de commutació d'alta-freqüència i equips de conversió d'alta-potència, els dissenys de baixa-inductància ajuden a mitigar els sobrepassos de tensió i les oscil·lacions d'alta-freqüència causades pels transitoris de commutació, creant així un entorn elèctric més controlat per al funcionament estable dels dispositius d'alimentació.

 

 

 

Els sistemes de tracció de trànsit ferroviari es caracteritzen per una gran potència, un funcionament prolongat i entorns mecànics complexos; les seves estructures d'interconnexió de potència han de suportar corrents elevats, així com vibracions mecàniques contínues i cicles tèrmics.

 

En aquests sistemes, les barres colectores laminades s'utilitzen per a connexions d'alimentació internes dins d'equips com ara convertidors de tracció i fonts d'alimentació auxiliars. Més enllà de complir els requisits de rendiment elèctric, aquestes barres han de tenir en compte les limitacions d'espai dels equips, el muntatge mecànic, la seguretat de l'aïllament i l'entorn operatiu a llarg termini-.

 

De la mateixa manera, les estructures de barres en equips de tracció i convertidors industrials sovint es personalitzen en funció del posicionament dels mòduls de potència, condensadors i components de dissipació de calor. Per a equips amb-espai restringit, les estructures de diverses-capes milloren la integració de les connexions d'alimentació i redueixen l'empremta d'espai associada al cablejat tradicional. El disseny de baixa-inductància està passant de l'optimització d'un únic paràmetre a una sinergia a nivell de sistema-holístic.

 

Amb l'adopció creixent de dispositius de potència de-banda gap ample com ara SiC i GaN-que permeten velocitats de commutació i freqüències de funcionament més elevades-, el disseny de barres està evolucionant del tradicional "disseny de secció transversal-transversal-de corrent" a un enfocament sinèrgic que integra consideracions elèctriques, tèrmiques i mecàniques d'aïllament.

 

Els futurs dissenys de barres no només han de minimitzar la inductància parasitària, sinó que també han de gestionar les pèrdues de CA, l'augment de temperatura, la distribució del camp elèctric i l'estrès mecànic. Particularment en sistemes d'alta-freqüència, la barra colectora funciona com a part integral del bucle de potència, amb la seva geometria que influeix directament en el comportament elèctric dinàmic del sistema.

 

Simultàniament, la tecnologia de fabricació de barres està avançant cap a nivells més alts d'integració, incorporant característiques com ara condensadors integrats, sensors integrats, estructures complexes de conductors 3D i tècniques d'emmotllament d'aïllament de precisió. Aquestes tecnologies permeten bucles de potència més curts i una millor utilització de l'espai alhora que proporcionen una base estructural per al seguiment de l'estat dels equips.

 

Des d'una perspectiva d'enginyeria, el disseny debarres laminades de baixa{0}}inductànciano es tracta només d'aconseguir el valor d'inductància més baix possible; més aviat, requereix determinar un rang objectiu adequat en funció de factors com ara els dispositius d'alimentació, la tensió de funcionament, la freqüència de commutació, la gestió tèrmica i els requisits d'aïllament. Només dissenyant conjuntament la barra colectora amb tot el bucle de potència es pot aconseguir tot el potencial de l'estructura laminada en sistemes electrònics d'alta potència-.

 

En general, les barres colectores laminades han evolucionat de connectors simples d'alta-intensitat a components estructurals crítics dins d'equips electrònics d'alta potència-. El seu valor rau principalment en funcions com ara una inductància dispersa baixa, connexions d'alimentació compactes, camins de corrent controlables i dissenys d'aïllament d'alta tensió-. Quan s'obtenen aquests components, els enginyers haurien d'avaluar exhaustivament els materials, el disseny estructural i les capacitats de fabricació personalitzades, tenint en compte la tensió del sistema, el corrent, la freqüència de commutació, l'espai d'instal·lació, els requisits d'aïllament i els processos de producció en massa.