Laminētas kopņu tehnoloģijas analīze: galvenais komponents izkliedētās induktivitātes samazināšanai un enerģijas uzticamības uzlabošanai PV-uzglabāšanas sistēmās

Strauji attīstoties jaunajai enerģētikas nozarei, fotoelementu (PV) enerģijas uzglabāšanas sistēmas attīstās, lai panāktu lielāku jaudas blīvumu, augstāku konversijas efektivitāti un lielāku uzticamību. Lai gan sistēmas projektēšanā par prioritāti bieži tiek piešķirta PV moduļa efektivitāte, akumulatora darbības laiks un barošanas ierīces veiktspēja, laminētā kopne{1}}būtiska sastāvdaļa, kas atvieglo enerģijas pārnešanu starp barošanas ierīcēm, kondensatoriem un barošanas moduļiem{2}}ir kļuvis par galveno faktoru, kas ietekmē kopējo sistēmas veiktspēju.

 

Lieljaudas-enerģijas uzglabāšanas pārveidotājos, PV invertoros un jaunās enerģijas barošanas sistēmās kopnes ne tikai pārraida strāvu, bet arī tieši ietekmē parazītiskos parametrus, elektromagnētisko saderību (EMC) un strāvas ierīču darbības drošību. Tā kā ātrgaitas komutācijas ierīces, piemēram, IGBT un SiC MOSFET, tiek plaši izmantotas, problēma par izkliedētu induktivitāti-, kas raksturīga tradicionālo vara kopņu struktūrai,{4}}ir kļuvusi izteiktāka. Laminētas kopnes, kurām raksturīga zema induktivitāte, augsta integrācija un izcila elektriskā veiktspēja, ir kļuvušas par būtisku starpsavienojumu risinājumu mūsdienu spēka elektronikas sistēmām.

 

 

 

Jaunās enerģijas uzglabāšanas sistēmās jaudas pārveidošanas process parasti ietver vairākus posmus, tostarp akumulatoru blokus, līdzstrāvas kopnes, kondensatorus un invertora moduļus. Tā kā barošanas ierīces ģenerē lielu strāvas izmaiņu ātrumu (di/dt) liela ātruma pārslēgšanas laikā, jebkura parazitārā induktivitāte strāvas cilpā izraisa papildu spriegumu.

 

Saskaņā ar elektromagnētiskās indukcijas principiem, strāvas ierīcei strauji izslēdzoties, izkliedētā induktivitāte rada pārejošu sprieguma smaili; šīs smailes lielums ir tieši saistīts ar cilpas induktivitāti un strāvas izmaiņu ātrumu. Ja sprieguma pieaugums pārsniedz ierīces nominālo spriegumu, tas var izraisīt pārsprieguma atteici IGBT vai SiC moduļos, tādējādi apdraudot sistēmas uzticamību.

 

Tradicionālām viena slāņa -vara kopnēm vai kabeļu starpsavienojumiem parasti ir augsta parazitārā induktivitāte, jo ievērojamais attālums starp pozitīvajiem un negatīvajiem spailēm rada lielu strāvas cilpas laukumu. Turpretim laminētās kopnes cieši saliek pretējas polaritātes vadošus slāņus, ļaujot pozitīvo un negatīvo strāvu radītajiem magnētiskajiem laukiem viens otru izslēgt, tādējādi strukturāli samazinot cilpas induktivitāti.

 

Līdz ar to lielas-jaudas PV enerģijas uzglabāšanas iekārtās laminētas kopnes vairs nav tikai vienkārši vadoši savienotāji; tie ir kritiski strukturāli komponenti, kas ietekmē visas energosistēmas stabilitāti.

 

 

Laminētas kopnes parasti sastāv no vairākiem vadoša materiāla slāņiem un izolācijas materiāliem. Vadītājiem galvenokārt tiek izmantots varš vai alumīnijs ar augstu-vadītspēju, savukārt izolācijas slāņi sastāv no dažādiem inženiertehniskiem izolācijas materiāliem, kas izvēlēti, pamatojoties uz sprieguma rādītājiem, temperatūras prasībām un darbības vidi.

 

Galvenā dizaina koncepcija ietver strāvas cilpas ceļa saīsināšanu un pozitīvo un negatīvo vadītāju novietošanu pēc iespējas tuvāk viens otram.

 

Ja divi vadītāji, kas vada strāvu pretējos virzienos, ir izvietoti paralēli, radušies pretējie magnētiskie lauki efektīvi atceļ daļu no induktīvā efekta, tādējādi samazinot kopējo cilpas pretestību.

 

Salīdzinot ar tradicionālajām konstrukcijām, laminētais dizains ievērojami samazina savienojuma attālumu starp jaudas moduļiem un līdzstrāvas kondensatoriem, kā rezultātā sistēmai ir zemāki parazitārie parametri. Šo struktūru plaši izmanto augstas-frekvences komutācijas iekārtās-, piemēram, laminētas kopnes mainīgas frekvences piedziņām-, kas efektīvi atbilst ātras reakcijas un zemu{4}}zaudējumu darbības prasībām.

 

Enerģijas uzglabāšanas pārveidotājos zemas -izkliedētās-induktivitātes dizains mazina sprieguma lēcienus pārslēgšanas pārejas laikā. Tas ļauj strāvas moduļiem stabili darboties augstākās frekvencēs, samazina nepieciešamību pēc papildu aizsardzības shēmām un uzlabo sistēmas vispārējo efektivitāti.

 

 

 

1. Pārejas pārejas spriegumu samazināšana

Ātrdarbīgu{0}}elektroierīču darbības laikā sprieguma pārsniegums, kas notiek izslēgšanas-mirklī, ir galvenais uzticamību ietekmējošs faktors. Optimizējot strāvas ceļu, laminētās kopnes samazina komutācijas cilpas laukumu, tādējādi pazeminot parazitāro induktivitāti.

 

Rūpnieciskajiem invertoriem, kuros tiek izmantoti IGBT moduļi, zemas{0}}induktivitātes kopnes efektīvi kontrolē pārslēgšanas tapas un palielina ierīces drošības rezervi. Piemēram, laminētas kopnes, kas paredzētas kompaktām IGBT līdzstrāvas barošanas sistēmām, optimizē starpslāņu izkārtojumu, lai uzlabotu ātrdarbīgu -pārslēgšanas veiktspēju.

 

2. Uzlabota strāvas sadales vienmērība

Tradicionālās biezās vara kopnes ir pakļautas tādām problēmām kā pašreizējā drūzmēšanās un lokāla temperatūras paaugstināšanās spēcīgas{0}}strāvas darbības laikā. Šīs problēmas saasinās augstas-frekvences vidēs, kur ādas efekts un tuvuma efekts vēl vairāk ietekmē strāvas sadalījumu.

 

Laminētās kopnes izmanto daudzslāņu struktūru, kas ļauj vienmērīgāk sadalīt strāvu pa vadītāja šķērsgriezumu, vienlaikus mazinot lokalizēto termisko koncentrāciju. Augstas -uzticamības lietojumprogrammās-, piemēram, strāvas sadales bloka (PDU) kopnēm-komponentiem ir jāiztur nepārtraukta augstas{6}}strāvas darbība ilgu laiku; līdz ar to vienmērīgs strāvas sadalījums ir ļoti svarīgs sistēmas ilgmūžībai.

 

3. Elektromagnētiskās saderības (EMC) veiktspējas optimizēšana

Liela ātruma{0}}pārslēgšanas darbības jaudas elektronikas sistēmās rada ievērojamus elektromagnētiskos traucējumus (EMI). Augsta cilpas induktivitāte palielina sprieguma un strāvas izmaiņu ātrumu (dv/dt un di/dt), padarot sistēmu jutīgāku pret vadītiem un izstarotiem traucējumiem.

 

Samazinot strāvas cilpas laukumu un samazinot elektromagnētiskā lauka starojuma intensitāti, laminētas kopnes palīdz uzlabot iekārtu EMC veiktspēju un atvieglo perifērijas filtru radīto slodzi.

 

 

1. Starpslāņu izolācijas attāluma projektēšana

Izolācijas slāņa biezuma noteikšanai ir līdzsvaroti jāņem vērā sprieguma rādītāji, elektriskās drošības attālumi un induktivitātes kontroles prasības. Pārmērīgs izolācijas biezums palielina attālumu starp vadītājiem, tādējādi paaugstinot izkliedētās induktivitāti, savukārt nepietiekams biezums var apdraudēt sprieguma noturību.

 

Tāpēc projektēšanas procesā ir jānodrošina atbilstošs līdzsvars, pamatojoties uz sistēmas nominālo spriegumu, darbības vidi un attiecīgajiem drošības standartiem.

 

2. Materiālu izvēle

Vadītāji parasti ir izgatavoti no vara vai alumīnija. Vara nodrošina augstāku elektrisko vadītspēju, padarot to piemērotu lietojumiem ar lielu-strāvas-blīvumu, savukārt alumīnijs nodrošina svara priekšrocību, padarot to vēlams lietojumiem, kuriem nepieciešami viegli komponenti.

 

Izolācijas materiāliem ir jābūt izcilai karstumizturībai, dielektriskajai izturībai un ilgstošai -stabilitātei. Piemēram, laminētajās kopnēs, ko izmanto telekomunikāciju elektroenerģijas sadalei, ilgstošai{2}}darbības videi ir nepieciešama stabila izolācijas veiktspēja un uzticamas siltuma pārvaldības iespējas.

 

3. Savienojuma struktūras optimizācija

Savienojuma punkti starp kopni un komponentiem, piemēram, jaudas moduļiem un kondensatoriem, ir kritiski mezgli strāvas ceļā. Pārmērīgi savienojuma attālumi vai neoptimāla konstrukcija var palielināt lokalizēto parazitāro induktivitāti.

 

Līdz ar to mūsdienu laminēto kopņu konstrukcijās bieži tiek izmantots integrēts kondensatoru, jaudas moduļu un kopņu izkārtojums, lai samazinātu augstfrekvences komutācijas ceļu garumu.
 

 

 

Attīstoties jaudas elektronikas tehnoloģijām, laminēto kopņu pielietojuma joma ir paplašinājusies no tradicionālām jaunām enerģijas iekārtām līdz daudzām rūpniecības nozarēm.

 

Rūpnieciskās automatizācijas jomā zemas-induktivitātes IGBT fāzes laminētas kopnes tiek izmantotas lielas-jaudas invertora sistēmās; to zemā-induktivitātes struktūra uzlabo motora piedziņas un enerģijas pārveidošanas procesu efektivitāti. Transporta nozarē augstas-uzticamības kopņu konstrukcijas tiek izmantotas dzelzceļa tranzītā, elektriskā transporta iekārtās un energosistēmas jauniem enerģijas transportlīdzekļiem; piemēram, saliktās kopnes vilciena barošanas avotam četri{5}}kvadrantu jaudas moduļi atbilst ātrgaitas-pārslēgšanas un uzticamas darbības prasībām.

 

Telekomunikāciju un datu iekārtu jomā, pieaugot jaudas blīvumam serveros un sakaru ierīcēs, tiek izmantotas tādas struktūras kā laminētas kopnes stacionāra{0}}elektrības sadalei un interneta maršrutētāju aizmugures plāksnes, lai uzlabotu telpas izmantošanu un enerģijas sadales efektivitāti.

 

Turklāt laminētām kopnēm ir būtiska nozīme medicīnas iekārtās, rūpnieciskās vadības sistēmās un rezerves barošanas sistēmās,{0}}piemēram, medicīniskās attēlveidošanas testēšanas ierīcēs un nepārtrauktās barošanas avota (UPS) sistēmās,{1}}kur tām ir jāatbilst gan stabilas barošanas piegādes, gan ilgtermiņa -darba uzticamības prasībām.

 

 

Pieaugot trešās -paaudzes pusvadītāju ierīču, piemēram, SiC un GaN, ieviešanai, kā arī pieaugošajām jaudas elektronikas sistēmu pārslēgšanas frekvencēm, pieaug pieprasījums pēc kopnēm, kas piedāvā zemu induktivitāti, augstu uzticamību un augstu integrācijas līmeni.

 

Nākotnes laminēto kopņu tehnoloģija attīstīsies šādos virzienos:

Pirmkārt, lielāka integrācija ir galvenā tendence. Iebūvējot komponentus, piemēram, atvienošanas kondensatorus, sensorus un noteiktas aizsargkonstrukcijas tieši kopnēs, var saīsināt strāvas ceļus, tādējādi uzlabojot sistēmas reakcijas ātrumu.

 

Otrkārt, kopņu konstrukcijās arvien vairāk tiks iekļautas viedās uzraudzības tehnoloģijas; integrējot tādas funkcijas kā temperatūras un strāvas noteikšana, iespējams reāllaikā{0}}uzraudzīt darbības stāvokli.

 

Tajā pašā laikā ražošanas procesi turpinās attīstīties-, piemēram, izsmalcinātu liešanas paņēmienu izmantošana, lai izveidotu sarežģītas 3D struktūras,-ļaujot kopnēm pielāgoties arvien kompaktākiem sistēmas izkārtojumiem.

 

Tādās nozarēs kā augstas veiktspējas skaitļošana,{0}}enerģijas aprīkojums un telekomunikāciju infrastruktūra, tādas lietojumprogrammas kā laminētas kopnes superdatoru shēmu platēm vai aizmugures plaknēm un elektroenerģijas sadales aizmugures plates ir par piemēru augsta-jaudas arhitektūras nākotnes trajektorijai.

 

 

 

Tā kā fotoelementu enerģijas uzglabāšana, jauni enerģijas transportlīdzekļi un rūpnieciskās jaudas elektronikas sistēmas attīstās uz augstāku efektivitāti un jaudas blīvumu, laminētas kopnes ir kļuvušas par kritiskām pamata sastāvdaļām, kas nosaka kopējo sistēmas veiktspēju.

 

Lai gan tie tieši nenosaka enerģijas pārveidošanas iespējas tādā pašā veidā kā akumulatori, invertori vai strāvas moduļi, tie nodrošina stabilu pamatu enerģijas pārvadei visā energosistēmā, samazinot izkliedētās induktivitāti, optimizējot strāvas ceļus un uzlabojot sistēmas uzticamību. Nākotnē, kad jaunas enerģijas iekārtas attīstīsies pretī augstākiem spriegumiem, augstākām frekvencēm un kompaktākām konstrukcijām,laminētas kopnesspēlēs arvien svarīgāku lomu tādās nozarēs kā enerģijas uzglabāšana, elektriskās piedziņas sistēmas, rūpnieciskā vadība un telekomunikāciju barošanas avoti, kļūstot par neaizstājamu starpsavienojumu tehnoloģiju mūsdienu spēka elektronikas sistēmām.