Laminierte Stromschienen: Je mehr Lagen, desto besser

Laminierte Stromschienen als wichtige Leit- und Verbindungskomponenten in leistungselektronischen Systemen werden nicht einfach nur mit „mehr Schichten, besser“ konstruiert. Stattdessen erfordert ihr Design einen systematischen technischen Kompromiss-zwischen elektrischer Leistung, Wärmemanagementfähigkeiten, Platzbeschränkungen und Gesamtlebenszykluskosten. In praktischen Anwendungen wirkt sich die Anzahl der Schichten in laminierten Sammelschienen direkt auf die Strompfadverteilung, parasitäre Parameter (wie Streuinduktivität und verteilte Kapazität) und die Gesamtsystemzuverlässigkeit aus. Daher ist ein rationales Matching auf der Grundlage spezifischer Anwendungsszenarien erforderlich, anstatt einfach nur eine Parameteraggregation zu verfolgen.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Strukturell bestehen laminierte Kupfersammelschienen aus abwechselnden Schichten aus leitender Kupferfolie und isolierendem Dielektrikum. Eine unterschiedliche Anzahl von Schichten entspricht unterschiedlichen elektromagnetischen Kopplungs- und Wärmediffusionseigenschaften. Typischerweise handelt es sich bei der Grundkonfiguration um eine zweischichtige Struktur, die eine hohe Kosteneffizienz und ausgereifte Herstellungsprozesse bietet. Es eignet sich für Anwendungen mit relativ geringen Anforderungen an Induktivität und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), wie etwa allgemeine industrielle Stromversorgungen oder Systeme mit geringer Leistung. Diese Art von laminierter Kupferschiene behält zwar die grundlegende Strombelastbarkeit bei, reduziert jedoch die parasitäre Induktivität im Vergleich zu herkömmlichen Kupferschienen oder -kabeln erheblich und bietet einige Möglichkeiten zur Platzoptimierung.

 

Wenn die Struktur auf drei Schichten aufgerüstet wird, kann eine Zwischenfunktionsschicht (z. B. eine Abschirmschicht oder eine neutrale Schicht) in das System eingeführt werden, wodurch die laminierte flexible Sammelschiene eine überlegene Leistung bei der Unterdrückung elektromagnetischer Störungen und der Stromnebenleitung in mehreren Schleifen aufweist. Diese Art von Struktur wird häufig in Szenarien verwendet, die ein gewisses Maß an Stabilität und Entstörungsfähigkeit erfordern, wie z. B. Anwendungen mittlerer Leistung wie laminierte Sammelschienen für die Leistungselektronik oder laminierte Sammelschienen für IGBT-basierte Motorantriebe. Durch eine rationelle Gestaltung des Zwischenschichtlayouts kann die Symmetrie der Stromschleife weiter optimiert und so das Systemrauschen reduziert werden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bei Strukturen mit vier-Schichten und mehr tritt das Laminated Bus Bar Design in eine Phase hoher Integration und hoher Leistung ein. Mehrschichtige Strukturen ermöglichen nicht nur eine hohe Integration mehrerer Leistungsschleifen, Signalschleifen und Abschirmungsschichten, sondern reduzieren auch die Streuinduktivität durch eine enge Zwischenschichtkopplung erheblich, wodurch sie sich besonders für Anwendungen mit Hochfrequenz-Schaltgeräten (wie IGBTs und SiC-Modulen) eignen, wie z. B. laminierte Sammelschienen für Hochstrom-Wechselrichter oder laminierte Kondensator-Sammelschienen für IGBT-basierte Motorantriebe. Diese Designs verfügen typischerweise über hervorragende Wärmeableitungspfade, die durch mehrschichtige dünne Kupferstrukturen ein dreidimensionales Wärmeableitungsnetzwerk bilden, wodurch der Temperaturanstieg effektiv reduziert und die Strombelastbarkeit erhöht wird.

 

Im Hinblick auf die elektrische Leistung liegt der Hauptvorteil der Erhöhung der Anzahl der Schichten in der Reduzierung der parasitären Induktivität. Eine engere Kopplung zwischen den positiven und negativen Elektroden ermöglicht die Aufhebung des Magnetfelds und reduziert Spannungsspitzen und Schaltverluste, was besonders wichtig für Hochfrequenzanwendungen ist (z. B. laminierte Sammelschienen für IGBTs mit Hochstrom-Leiterplatten). Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass eine Erhöhung der Anzahl der Schichten auch zu einer erhöhten verteilten Kapazität führt, die sich bei schlechter Auslegung negativ auf die Integrität des Hochfrequenzsignals auswirken kann.

 

Im Hinblick auf das Wärmemanagement weisen mehrschichtige laminierte Stromschienen für Industrieanwendungen erhebliche Vorteile auf. Durch die Vergrößerung der Wärmeableitungsschnittstelle und die Optimierung des Wärmeleitungspfads kann der Temperaturanstieg unter den gleichen Strombedingungen effektiv reduziert und gleichzeitig die langfristige Zuverlässigkeit des Systems verbessert werden. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig bei Geräten mit hoher -Leistungsdichte-, wie etwa Sammelschienen für die Leistungselektronik oder Kupfersammelschienen für alternative Energieanwendungen.

 

Aus Sicht der Systemintegration können mehrschichtige Strukturen die Anzahl der Verbindungspunkte erheblich reduzieren und so einen höheren Grad an modularem Design ermöglichen. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen werden durch die Reduzierung der Anzahl der Verbindungsschnittstellen nicht nur der Kontaktwiderstand und potenzielle Fehlerstellen gesenkt, sondern auch die Gerätegröße deutlich reduziert, wodurch dem Miniaturisierungs- und hohen Integrationstrend moderner leistungselektronischer Geräte Rechnung getragen wird. Beispielsweise sind mehrschichtige Lösungen die gängige Wahl bei laminierten Sammelschienen für die Montagestrukturen von Kondensatorbänken oder Sammelschienenlösungen für die Stromverteilung.

 

Im Hinblick auf die Anpassungsfähigkeit an die Umwelt und die mechanische Leistung bieten mehrschichtige heißgepresste Strukturen eine höhere Gesamtfestigkeit und Vibrationsbeständigkeit, wodurch sie für komplexe Betriebsumgebungen geeignet sind, beispielsweise für hochzuverlässige Anwendungen wie Sammelschienen für Elektrolokomotiven oder laminierte Sammelschienen für Wechselrichter von Raumfahrzeugen. Gleichzeitig erhöht die versiegelte Struktur in Kombination mit hochleistungsfähigen Isoliermaterialien die Widerstandsfähigkeit gegen feuchte Hitze, Salznebel und Alterung.

 

Während mehrschichtige Designs zahlreiche Vorteile bieten, steigen auch ihre Herstellungskomplexität und -kosten. Höhere Schichtzahlen stellen höhere Anforderungen an die Laminiergenauigkeit, die Leistung des Isoliermaterials und die Prozesskontrolle. Beispielsweise sind bei High-End-Anwendungen wie laminierten Stromschienen für Hochfrequenz-Schweißleistungs-IGBTs die Anforderungen an Konsistenz und Zuverlässigkeit besonders streng. Daher ist bei der praktischen Auswahl eine umfassende Bewertung hinsichtlich Leistung, Schaltfrequenz, Bauraum und Kostenbudget erforderlich. Für bestimmte Anwendungsszenarien reichen in der Regel 2 bis 3 Schichten für Systeme mit niedriger-bis-Leistung aus; 3 bis 4 Schichten eignen sich besser für Systeme mittlerer Leistung und Systeme mit bestimmten EMV-Anforderungen; und 4 bis 6 Schichten werden für Anwendungen mit hoher-Leistung, hoher-Frequenz und hoher Integration bevorzugt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Darüber hinaus muss für komplexe Topologien (z. B. Wechselrichter mit mehreren Ebenen) oder spezielle Schaltungsstrukturen eine kollaborative Optimierung mehrerer Schleifen durch maßgeschneiderte laminierte Stromschienen für Computer oder maßgeschneiderte Stromschienen für elektrische Schutzlösungen erreicht werden.

 

Es ist wichtig zu betonen, dass die Anzahl der Schichten nicht der einzige Faktor ist, der die Leistung bestimmt. Auch die Materialauswahl (z. B. Reinheit und Dicke des Kupfers), die dielektrischen Eigenschaften der Isolierung, das strukturelle Layout und die Herstellungsprozesse haben einen entscheidenden Einfluss auf die endgültige Leistung. Beispielsweise bieten lackierte isolierte Sammelschienen (VIBs) in bestimmten spezifischen Szenarien auch einzigartige Vorteile. Daher sollte bei der Bewertung laminierter Stromschienen eine umfassende Analyse aus systemtechnischer Sicht durchgeführt werden.

 

Insgesamt handelt es sich bei der Konstruktion laminierter Stromschienen im Wesentlichen um einen multi{0}dimensionalen Kompromiss-. Da sich leistungselektronische Geräte hin zu höherer Leistungsdichte, höherer Frequenz und höherer Integration weiterentwickeln, wird ein gut konzipiertes Laminated Bus Bar (MBB)-Design zu einem Schlüsselfaktor für die Verbesserung der Systemeffizienz und -zuverlässigkeit. Nur durch die genaue Abstimmung der Anwendungsanforderungen mit den Strukturparametern kann der Kernwert derLaminierte Stromschiene in moderner Kraftübertragungund Konvertierungssysteme vollständig realisiert werden.