Entlarvung der mehr Schichten, bessere Missverständnisse bei laminierten Sammelschienen

Mit der rasanten Entwicklung neuer Energie, Leistungselektronik und industrieller Automatisierung werden laminierte Sammelschienen aufgrund ihrer geringen Induktivität, hohen Integration und guten EMV-Leistung häufig in Energiespeichersystemen, Wechselrichtern, neuen Energiefahrzeugen, Leistungsmodulen und im Schienenverkehr eingesetzt. Vor allem in Geräten mit hoher-Frequenz und hoher-Leistung haben laminierte, nieder-Stromschienen nach und nach herkömmliche Kabelverbindungen ersetzt und sind zu einem wichtigen Bestandteil moderner Stromversorgungssysteme geworden.

 

In der Branche besteht jedoch nach wie vor ein weit verbreitetes Missverständnis: dass mehr Schichten in einer laminierten Stromschiene zwangsläufig eine bessere Leistung bedeuten. In Wirklichkeit handelt es sich bei einem laminierten Design um ein systematisches technisches Projekt, das eine umfassende Berücksichtigung von Induktivität, Wärmeableitung, Bauraum, Kosten und Anwendungsszenarien erfordert. Es gibt keine absolute Schlussfolgerung, dass „mehr Schichten gleichbedeutend mit mehr Fortschritt sind“.

 

 

 

Laminierte Stromschienen bestehen typischerweise aus mehreren Schichten leitfähiger Kupferstromschienen und Isoliermedien, die durch ein Heißpressverfahren miteinander verbunden werden. Es handelt sich um typische mehrschichtige Verbundstruktur-Verbindungsstäbe. Durch die Optimierung des Abstands und der Anordnung zwischen den positiven und negativen Anschlüssen kann die Streuinduktivität im Stromkreis erheblich reduziert werden, wodurch die Betriebsstabilität des Systems verbessert wird. Derzeit reichen die gängigen Spezifikationen in der Branche hauptsächlich von 2 bis 6 Schichten, wobei unterschiedliche Schichtnummern den unterschiedlichen Anwendungsanforderungen entsprechen:

 

2-Schichtstrukturen eignen sich typischerweise für Geräte mit niedriger- bis mittlerer-Leistung und bieten Vorteile wie ausgereifte Herstellungsprozesse, niedrigere Kosten und einfache Installation. Sie sind häufig in einfachen Stromverteiler-Sammelschienen, Niederspannungs-Wechselrichtern und allgemeinen industriellen Stromverteilungssystemen zu finden.

 

3-Schichtstrukturen sind eine der am weitesten verbreiteten Lösungen. Dreischichtige laminierte Stromschienen sorgen für eine bessere Stromverteilung und elektromagnetische Abschirmung und bieten eine hohe Kosteneffizienz bei Geräten mittlerer Leistung. Sie werden häufig in Energiespeicher-Wechselrichtern, USV-Systemen und neuen Energie-Hilfssteuermodulen eingesetzt.

 

Strukturen mit 4 oder mehr Schichten werden häufiger in Szenarien mit hoher-Frequenz, hoher-Leistung und komplexer Topologie verwendet, wie etwa laminierte Sammelschienen in Hochleistungswandlern, laminierte IGBT-Sammelschienen und große-Energiespeicher-PCS-Systeme. Ihre Hauptvorteile liegen in einer geringeren Streuinduktivität, einer stärkeren EMV-Fähigkeit und einer höheren Systemintegration.

 

 

 

I. Änderungen der elektrischen Leistung

Mit einer Erhöhung der Anzahl der Schichten kann eine engere Kopplungsstruktur zwischen den positiven und negativen Leitern gebildet werden, wodurch die Streuinduktivität reduziert wird. Dies ist besonders wichtig für Hochfrequenz-SiC-Geräte und schnell schaltende IGBT-Module.

 

Maßgeschneiderte laminierte Sammelschienen für IGBTs konzentrieren sich typischerweise auf die Optimierung der Zwischenschichtstruktur der Sammelschiene, um Spannungsspitzen und EMI-Interferenzen zu reduzieren, die beim Schalten entstehen.

 

Eine Erhöhung der Anzahl der Schichten bedeutet jedoch nicht zwangsläufig eine unbegrenzte Leistungsverbesserung. Zu viele Schichten können zu einer erhöhten parasitären Kapazität zwischen den Schichten führen, was sich negativ auf die Systemstabilität auswirken kann, wenn die Parameter nicht richtig angepasst werden. Daher müssen beim Entwurf einer laminierten Sammelschiene für einen dreistufigen Wechselrichter die Induktivitäts- und Kapazitätsparameter gleichzeitig ausgeglichen werden.

 

II. Änderungen der Wärmeableitungskapazität

Mehrschichtige Strukturen können den Wärmeleitungspfad und die Wärmeableitungsfläche erweitern, sodass mehrschichtige Sammelschienen bei gleichen Stromführungsbedingungen typischerweise einen geringeren Temperaturanstieg aufweisen.

 

In Hochstromszenarien wie explosionsgeschützten Hochspannungs-Wechselrichtersammelschienen können mehrschichtige Strukturen lokale Hotspots effektiv reduzieren und die langfristige Betriebsstabilität verbessern.

 

Allerdings führt die Erhöhung der Lagenanzahl gleichzeitig zu einer Erhöhung der Gesamtdicke und damit zu einem größeren Bauraumbedarf. Daher muss bei kompakten Geräten der interne Aufbau umfassend berücksichtigt werden.

 

III. Verbesserte Systemintegrationsfähigkeiten

Einer der größten Vorteile laminierter Stromschienen ist ihr hoher Integrationsgrad. Im Vergleich zu herkömmlichen Kabelbäumen können mehrschichtige Strukturen gleichzeitig mehrere Stromschleifen, Signalschleifen und Erdungssysteme integrieren, wodurch Verbindungsknoten reduziert und die Systemzuverlässigkeit verbessert werden.

 

Zum Beispiel:

Laminierte Stromschienen zur Stromverteilung. Backplanes können in Server- und industriellen Stromversorgungssystemen verwendet werden.

Laminierte Stromschienen für die Router-Backplane-Verteilung eignen sich für die interne Stromversorgung in Kommunikationsgeräten.

Laminierte Sammelschienen für die Stromverteilung in Mobilfunkbasisstationen werden häufig in 5G-Basisstationen und Kommunikationsstromversorgungen verwendet.

In komplexen Verkabelungsumgebungen reduzieren laminierte Sammelschienen für komplexe Sammelschieneninstallationen effektiv den Platzbedarf und vereinfachen den Installationsprozess.

 

IV. Strukturelle Stabilität und Anti--Fähigkeit

Mehrschichtige Strukturen können eine vollständigere elektromagnetische Abschirmschleife bilden und dadurch die Anti-{1}}Fähigkeit des Systems verbessern.

 

In den Bereichen New-Energy-Fahrzeuge, Elektroantriebssysteme und Schienenverkehr stellen Motorcontroller-Sammelschienen und laminierte U-Bahn-Sammelschienen hohe Anforderungen an die EMV-Leistung. Mehrschichtige symmetrische Strukturen können aktuelle Ungleichgewichtsprobleme wirksam reduzieren und die langfristig stabile Betriebsfähigkeit von Geräten verbessern.

 

Für den Schienenverkehr und Traktionssysteme mit hoher{0}Leistung müssen Verbund-Sammelschienen für die Vier-{1}Quadranten-Stromversorgung von Zügen außerdem dynamischen Stößen standhalten, hohen Temperaturen standhalten und eine hohe Isolationsleistung aufrechterhalten.
 

 

Während Sammelschienen mit höheren -Schichten eine überlegene Leistung bieten, steigt die Komplexität der Herstellung entsprechend.

 

Produkte mit zwei- bis drei-Schichten verfügen über relativ ausgereifte Prozesse, hohe Ertragsraten und kontrollierbare Verarbeitungskosten.

 

Vierschichtige und höherwertige Produkte stellen höhere Anforderungen an die Dickenkontrolle der Kupferfolie, die Präzision der Isolationslaminierung, Heißpressverfahren und ein symmetrisches Layout. Dies gilt insbesondere für spezielle Strukturen wie teilweise laminierte Stromschienen, die eine äußerst hohe Präzision bei der Verarbeitung lokaler Isolations- und Leitungsbereiche erfordern.

 

Darüber hinaus bedeuten mehrschichtige Strukturen:

Erhöhter Rohstoffverbrauch;

Komplexere Laminierprozesse;

Strengere Prüfstandards;

Längere Produktionszyklen.

 

Daher sind High-Layer-Lösungen nicht unbedingt für alle Projekte geeignet.

 

 

Bei Geräten kleiner bis mittlerer Leistung mit einer Leistung unter 100 kW reichen in der Regel zwei bis drei Schichten aus. Zu diesen Szenarien gehören grundlegende Anwendungen wie allgemeine Energiespeichersysteme, kleine USV-Systeme und unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme (USV).

 

Für Systeme mittlerer{0}}bis-hoher Leistung (100 kW bis 500 kW) ist eine 3- bis 4-Schichten-Struktur besser geeignet, um Induktivitätsleistung, Wärmeableitung und Herstellungskosten in Einklang zu bringen.

 

Für Hochleistungssysteme über 500 kW, Hochfrequenz-SiC-Wandler und große Energiespeichersysteme ist in der Regel eine 4- bis 6-Schichten-Struktur erforderlich, um die Anforderungen an geringere Induktivität, höhere EMV-Fähigkeiten und stärkere Wärmeableitung zu erfüllen.

 

Beispiele hierfür sind:

Laminierte Stromschiene für Elektroautos;

Explosionsgeschützte-Hochspannungs-Wechselrichter-Sammelschiene

Große -Energiespeicher-PCS-Systeme;

Hochspannungs-Frequenzumrichter;

Hauptantriebssysteme für Fahrzeuge mit neuer Energie.

 

In komplexen Schaltkreisen wie Multi-Level-Topologien ist für die laminierte Sammelschiene für Drei-Level-Wechselrichter häufig eine Struktur mit 3 bis 5 Schichten erforderlich, um symmetrische Strompfade und eine stabile Stromverteilungssteuerung zu erreichen.

 

 

 

Missverständnis 1: Mehr Schichten bedeuten zwangsläufig eine bessere Leistung

Tatsächlich ist die Anzahl der Schichten der einzige Parameter, der die Leistung beeinflusst.

Die Dicke der Kupferschienen, das Isolationsmaterial, das Schaltungslayout, der Leiterabstand und die Verarbeitungsgenauigkeit wirken sich alle direkt auf die endgültige Leistung aus.

Eine blinde Erhöhung der Anzahl der Schichten erhöht nicht nur die Kosten, sondern kann aufgrund von Änderungen der parasitären Parameter auch die Gerätestabilität beeinträchtigen.

 

Missverständnis 2: Low{1}}Produkte sind „Low{2}}Lösungen.“

Tatsächlich sind für viele kleine und mittlere Leistungsgeräte 2-- bis 3-Schicht-Strukturen die ausgereiftesten, stabilsten und kostengünstigsten Lösungen.

Eine gut gestaltete dreischichtige Sammelschiene-kann die Anforderungen der meisten konventionellen Industrieanwendungen vollständig erfüllen.

 

Irrtum 3: Produkte mit der gleichen Anzahl an Schichten haben die gleiche Leistung

Auch bei gleicher Lagenzahl können erhebliche Unterschiede zwischen verschiedenen Designs bestehen.

Beispielsweise wirken sich die Anordnung der Kupferfolie, das Isoliermaterial, das Heißpressverfahren und die Leitersymmetrie direkt auf die Leistung der Sammelschiene aus.

Die tatsächliche Leistung hochwertiger Kupferschienen ist der von Produkten mit gewöhnlicher Struktur oft weit überlegen.

 

 

 

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von SiC-Geräten, Hochfrequenz-Wechselrichtertechnologie und Energiespeichersystemen entwickeln sich laminierte Stromschienen hin zu höheren Frequenzen, höherer Integration und größerer Verfeinerung.

 

Zukünftig werden High-End-Elektronikbereiche wie laminierte Sammelschienen für Supercomputer-Leiterplatten oder Rückwandplatinen die Entwicklung von Sammelschienen in Richtung hoher Dichte, Miniaturisierung und kundenspezifischer Anpassung weiter vorantreiben.

 

Gleichzeitig werden spezielle Stromschienendesigns für Fahrzeuge mit neuer Energie, Leistungselektronik und Kommunikationsausrüstung stärker segmentiert, wobei die Branche mehr Wert auf „Anwendungsanpassung“ legt, anstatt einfach nur eine Erhöhung der Anzahl der Schichten anzustreben.

 

 

Der Kernwert laminierter Stromschienen liegt nicht in „mehr Schichten“, sondern in ihrer Fähigkeit, den Geräteanforderungen genau zu entsprechen.

 

Ein sinnvolles Schichtdesign sollte Folgendes umfassend berücksichtigen:

Geräteleistung;

Schaltfrequenz;

EMV-Anforderungen;

Wärmeableitungskapazität;

Einbauraum;

Herstellungskosten;

Langfristige Betriebsstabilität.

 

Nur durch wissenschaftliches Design, das auf tatsächlichen Anwendungsszenarien basiert, können die Leistungsvorteile erzielt werdenLaminierte Sammelschienen, passive elektronische Komponenten, wirklich realisiert werden, wodurch das optimale Gleichgewicht zwischen Systemeffizienz, Zuverlässigkeit und Kosten erreicht wird.