Die laminierten Sammelschienen in PV--plus-Speicher- und Hochleistungs--elektronischen Systemen: Trends bei der Konstruktion mit geringer Streuinduktivität und Zuverlässigkeit

Da sich leistungselektronische Systeme-z. B. für die Photovoltaik-Stromerzeugung, Energiespeicher-Wechselrichter, Elektrofahrzeuge und den Schienenverkehr-zu höheren Leistungsdichten und höheren Schaltfrequenzen entwickeln, haben sich die Schaltgeschwindigkeiten von Leistungsgeräten erhöht. Folglich ist der Einfluss interner parasitärer Parameter auf die Betriebsleistung immer bedeutender geworden. Vor diesem Hintergrund haben sich laminierte Stromschienen von einfachen Steckverbindern für die Stromübertragung zu kritischen Strukturkomponenten entwickelt, die die Induktivität der Stromschleife, Spannungsüberschreitungen, das Wärmemanagement und die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beeinflussen.

 

Bei herkömmlichen Stromrichtern dienen Sammelschienen hauptsächlich der Übertragung von Gleichstrom und der elektrischen Verbindung zwischen verschiedenen Leistungseinheiten. Wenn Systeme jedoch Hochgeschwindigkeits-Leistungsgeräte wie IGBTs, SiC-MOSFETs oder GaN-Geräte verwenden, verstärken die hohen di/dt- und dv/dt-Werte, die während der Schalttransienten erzeugt werden, die Auswirkungen parasitärer Parameter innerhalb der Leistungsschleife. Wenn die Sammelschienenstruktur schlecht ausgelegt ist, kann eine erhebliche Streuinduktivität der Schleife zu einer ausgeprägten Spannungsüberschreitung und hochfrequenten Schwingungen beim Schalten führen; Dies erhöht die Spannungsbelastung der Geräte und stellt zusätzliche Anforderungen an die EMI-Kontrolle des Systems.

 

Daher kann bei Hochleistungsumwandlungsgeräten die Auswahl der Sammelschiene nicht mehr ausschließlich auf der Strombelastbarkeit basieren. Faktoren wie elektrische Topologie, Schleifenfläche, Zwischenschichtisolierung, Wärmeleitfähigkeit, mechanische Montage und Hochfrequenzstromverteilung müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Strukturen mit niedriger-Induktivität sind zu einem zentralen Schwerpunkt bei der Gestaltung von Stromverbindungen geworden, insbesondere für Schaltanwendungen mit hoher-Geschwindigkeit.
 

 

 

Laminierte Sammelschienen werden typischerweise durch Stapeln, Positionieren und Laminieren von zwei oder mehr leitenden Metallplatten mit isolierenden dielektrischen Schichten in einer bestimmten Konfiguration gebildet. Zu den gängigen Leitermaterialien gehören Kupfer und Kupferlegierungen, je nach Gewicht, Kosten und Anforderungen an die Stromführung können jedoch auch Materialien wie Aluminium verwendet werden. Zwischenschichtisolationsmaterialien müssen strenge Anforderungen hinsichtlich Spannungsfestigkeit, Temperaturbeständigkeit, mechanischer Stabilität und langfristiger Zuverlässigkeit erfüllen.

 

Im Vergleich zu herkömmlichen diskreten Kupfersammelschienen besteht der Hauptvorteil der laminierten Struktur in ihrer Fähigkeit, Leiterbahnen entgegengesetzter Polarität oder unterschiedlicher Potenziale in der Nähe zu positionieren. Wenn in entgegengesetzte Richtungen fließende Ströme durch benachbarte Leiter fließen, heben sich ihre jeweiligen Magnetfelder teilweise gegenseitig auf, wodurch die effektive Magnetfeldenergie und die parasitäre Induktivität der Kommutierungsschleife verringert werden.

 

Für Hochleistungswandler ist diese Struktur besonders gut-geeignet, um den aktuellen Kommutierungspfad zwischen dem DC-Bus und den Leistungsmodulen zu minimieren. Bei richtiger Konstruktion erleichtert eine Sammelschiene nicht nur die Übertragung hoher Ströme, sondern verringert auch die Fläche der Hochfrequenz-Kommutierungsschleife auf struktureller Ebene und schafft so stabilere Betriebsbedingungen für Hochgeschwindigkeits-Leistungsgeräte.

 

Die Anzahl der Sammelschienenlagen variiert je nach Stromkreistopologie. Beispielsweise könnte ein Konverter mit zwei -Ebenen eine Struktur mit zwei -Schichten (positive und negative Pole) verwenden, während ein Konverter mit mehreren-Ebenen möglicherweise zusätzliche Schichten-wie einen Neutralpunkt oder andere Potenzialebenen-erfordert, was zu einer mehrschichtigen Konfiguration wie einer drei-schichtigen laminierten Sammelschiene führt. Mit zunehmender Anzahl der Schichten werden Probleme hinsichtlich der elektrischen Isolierung, der Kopplung parasitärer Parameter und des Wärmemanagements komplexer. Daher ist ein ganzheitlicher Designansatz erforderlich, der auf die spezifische Topologie zugeschnitten ist.

 

 

 

Streuinduktivitäten innerhalb der Stromschleife entstehen hauptsächlich durch die Leiter selbst, Anschlussklemmen, den inneren Aufbau von Leistungsmodulen und die räumliche Anordnung der Sammelschienen. Obwohl Designer diese Induktivitäten nicht absichtlich einführen, üben sie bei Hochgeschwindigkeitsschaltvorgängen erhebliche dynamische Effekte aus.

 

Basierend auf den grundlegenden induktiven Prinzipien kann selbst eine minimale parasitäre Induktivität bei hoher Stromänderungsrate erhebliche transiente Spannungen erzeugen. Bei Hochgeschwindigkeits-Schaltgeräten erhöht eine übermäßig lange Kommutierungsschleife oder ein großer Abstand zwischen positiven und negativen Strompfaden die Wahrscheinlichkeit einer Spannungsüberschreitung und eines hochfrequenten Klingelns.

 

Ein Hauptaugenmerk beim laminierten Sammelschienendesign liegt auf der Minimierung des Abstands zwischen positiven und negativen Strompfaden und der Verkürzung der Verbindungsentfernung zwischen Leistungsmodulen und Zwischenkreiskondensatoren. Durch die Optimierung der Leiterabstände wird die von der Kommutierungsschleife umschlossene Fläche reduziert, wodurch die Magnetfeldkopplung und die parasitäre Schleifeninduktivität einfacher gesteuert werden können.

 

Daher müssen Ingenieure beim Entwurf laminierter Sammelschienen für Hochleistungswandler die gesamte Kommutierungsschleife berücksichtigen und dürfen sich nicht nur auf die Abmessungen der Sammelschiene konzentrieren. Die relative Positionierung von Kondensatoren, Leistungsmodulen, Anschlussklemmen und Sammelschienen beeinflusst alle die endgültigen Schleifenparameter.

 

 

Eine niedrige Induktivität macht ein thermisches Design nicht überflüssig. Mit zunehmender Anlagenleistung steigt die Dauerstrombelastung der Sammelschiene; Gleichzeitig unterwirft das Hochgeschwindigkeitsschalten die hochfrequente Stromverteilung-Haut- und Proximity-Effekten.

 

Bei höheren Frequenzen bleibt der Strom nicht gleichmäßig über den Querschnitt des Leiters verteilt, sondern konzentriert sich tendenziell auf bestimmte Oberflächenbereiche. Wenn Breite, Dicke und Zwischenschichtabstand der Sammelschiene nicht optimal ausgelegt sind, können Probleme wie lokale Erhöhungen der Stromdichte und konzentrierte Temperaturanstiege auftreten.

 

Daher erfordert die Gestaltung des Sammelschienenquerschnitts den Ausgleich von Strombelastbarkeit, Wechselstromverlusten, mechanischer Festigkeit und Wärmeableitungsbedingungen. Bei Hochleistungs-Energiespeicherwandlern ist es neben der Berechnung der Gleichstrombelastbarkeit- unbedingt erforderlich, Wechselstromwiderstandsschwankungen bei tatsächlichen Betriebsfrequenzen zu berücksichtigen und das Design durch Temperaturanstiegstests zu überprüfen.

 

Während eine laminierte Struktur die Stromschleifenfläche reduzieren kann, kann die mehrschichtige Isolationsstruktur den Wärmeableitungspfad vom Leiter nach außen verändern. Daher müssen beim Designprozess Faktoren wie die Dicke der Kupferschicht, das Isolationsmaterial, die Montagemethoden und die externen Kühlbedingungen berücksichtigt werden. Für Sammelschienenstrukturen können unterschiedliche thermische Designstrategien erforderlich sein, je nachdem, ob die Ausrüstung natürliche Kühlung, erzwungene Luftkühlung oder Flüssigkeitskühlung nutzt.

 

 

In tatsächlichen Systemen ist die parasitäre Induktivität nicht auf den Hauptkörper der Sammelschiene beschränkt; Auch in den Verbindungszonen zwischen der Sammelschiene und Komponenten wie Leistungsmodulen, Kondensatoren und anderen elektrischen Teilen können erhebliche parasitäre Parameter auftreten.

 

Verbindungsbolzen, Klemmenübergänge, örtliche Biegungen und abrupte Änderungen im Leiterquerschnitt-können den Strompfad verändern. Wenn der Verbindungspunkt weit vom Leistungsgerät entfernt ist, kann die gesamte Kommutierungsschleife immer noch eine erhebliche parasitäre Induktivität aufweisen, selbst wenn die Hauptsammelschiene eine laminierte Struktur mit niedriger -Induktivität verwendet.

 

Daher sollten technische Entwürfe unnötige Übergangsstrukturen minimieren und die Kontinuität von Hochfrequenzstrompfaden sicherstellen. Bei Systemen, die Mehrpunktverbindungen erfordern, sollte die geometrische Symmetrie zwischen parallelen Zweigen so weit wie möglich gewahrt bleiben, um ähnliche elektrische Pfad- und Impedanzeigenschaften über die Zweige hinweg sicherzustellen.

 

Ähnliche Konstruktionsprinzipien werden in Bereichen wie laminierten Stromschienen für Elektrofahrzeuge und Hochspannungs-Elektroantriebssystemen angewendet. Da sich elektrische Antriebssysteme hin zu höheren Spannungen und Leistungsdichten weiterentwickeln, müssen Stromschienen nicht nur die Anforderungen an die Hochstromübertragung erfüllen, sondern sich auch an begrenzten Bauraum und komplexe mechanische Strukturen anpassen.

 

 

In praktischen Industrieanlagen liegen Stromschienen selten in regelmäßigen, offenen Installationsräumen. Strenge räumliche Beschränkungen durch Leistungsmodule, Kondensatoren, Kühlkörper, Steuerplatinen und Strukturkomponenten erfordern häufig Sammelschienenkonfigurationen mit Biegungen, Ausschnitten, Abzweigungen und mehrschichtigen Verbindungen. Bei laminierten Sammelschienen, die in komplexen Installationen verwendet werden, geht der Entwurfsschwerpunkt über die Leiterabmessungen hinaus und umfasst auch die Ausrichtungsgenauigkeit zwischen Schichten, Isolationsgrenzen und die Konsistenz der Montageschnittstellen.

 

Löcher und Aussparungen in der Sammelschiene verändern die lokalen Strompfade. Wenn sich diese Merkmale in der Nähe primärer Kommutierungszonen befinden, kann der Strom gezwungen werden, um sie herum umzuleiten, was sich auf die lokale Stromdichte und parasitäre Parameter auswirkt. Daher müssen Position, Größe und Kantenbehandlung von Öffnungen während der Strukturentwurfsphase bewertet werden, um zu verhindern, dass mechanische Montageanforderungen die elektrische Leistung beeinträchtigen.

 

In Hochspannungssystemen muss auch die elektrische Feldkonzentration an Leiterkanten und Isolationsschnittstellen berücksichtigt werden. Durch die richtige Verwendung von Radien, Fasen und Isolationseinkapselung kann die lokale Verstärkung des elektrischen Feldes gemindert und das Risiko eines Isolationsversagens während des Langzeitbetriebs verringert werden.

 

 

Wenn die DC-Busspannungen Werte von mehreren hundert Volt oder mehr erreichen, geht das Sammelschienendesign über die einfache Stromübertragung hinaus; Außerdem müssen Luftstrecke, Kriechstrecke, Spannungsfestigkeit und langfristige Isolationszuverlässigkeit berücksichtigt werden.

 

Bei Hochspannungswechselrichtern muss das Isoliermaterial zwischen den Leiterschichten sowohl der Dauerbetriebsspannung als auch der wiederholten Spannungsbelastung durch Schalttransienten standhalten. Bei Spezialgeräten-wie z. B. Hochspannungs--explosionssicheren-Wechselrichter-Sammelschienen- muss die Konstruktion auch mit den IP-Schutzklassen (IP), den Umgebungsbedingungen und den Sicherheitsstandards der Geräte übereinstimmen.

 

Bei der Auswahl des Isoliermaterials sollten langfristige Betriebstemperatur, dielektrische Festigkeit, mechanische Festigkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit und Alterungseigenschaften berücksichtigt werden. Bei Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeits-Schaltsystemen ist auch die Langzeitstabilität des Materials unter wiederholter du/dt-Belastung ein entscheidender Gesichtspunkt.

 

Gleichzeitig ist die bloße Maximierung der Dämmstärke nicht der optimale Ansatz. Eine zu dicke Isolierung vergrößert den Abstand zwischen den Leitern, vergrößert dadurch die Fläche der Kommutierungsschleife und erhöht möglicherweise die parasitäre Induktivität. Daher erfordert ein praktisches Design ein angemessenes Gleichgewicht zwischen Isolationssicherheitsmargen und dem Ziel der Minimierung der Induktivität.

 

 

 

Mit der Weiterentwicklung von Mittel-{0}} und Hoch-{1}Spannungs-Leistungsumwandlungsgeräten werden mehrstufige Topologien zunehmend in Energiespeicherwandlern, industriellen Frequenzumrichtern (VFDs) und Hochspannungs-Leistungselektroniksystemen eingesetzt. Dreistufige Strukturen ermöglichen zwar die Verteilung der Spannungsbelastung von Komponenten auf mehrere Potenzialebenen, führen aber auch zu einer höheren Komplexität der Sammelschienenstruktur. Beim Entwurf laminierter Sammelschienen für Drei-Ebenen-Wechselrichter muss die Sammelschiene in der Regel gleichzeitig elektrische Verbindungen mit positiven, neutralen und negativen Anschlüssen verwalten. Da sich die aktuellen Kommutierungspfade je nach Betriebszustand verschieben können, kann das Sammelschienendesign nicht nur für einen einzelnen Zustand optimiert werden; Stattdessen muss es Kommutierungsschleifen über alle primären Schaltzustände hinweg ermöglichen.

 

Bei den Designbemühungen wird auch die Wahrung der geometrischen Symmetrie über die Stromzweige hinweg priorisiert. Erhebliche Unterschiede in den Pfadlängen zwischen parallelen Zweigen können zu einer ungleichmäßigen dynamischen Stromverteilung führen, was dazu führt, dass bestimmte Komponenten höheren Strombelastungen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind.

 

Dies ist einer der Hauptgründe, warum mehrschichtige Verbundschienen in Hochleistungsgeräten äußerst wertvoll sind. Durch die Kombination mehrerer Leiterschichten mit Isoliermaterialien ermöglichen diese Sammelschienen kompakte Verbindungen mit mehreren Spannungspotentialen und Verzweigungen auf begrenztem Raum und bieten gleichzeitig eine größere Designflexibilität hinsichtlich der Induktivitätssteuerung und des mechanischen Layouts.

 

 

Die Anwendung laminierter Stromschienen hat sich über die herkömmliche industrielle Stromversorgung hinaus auf Bereiche wie Energiespeicherung, Automobilindustrie, Telekommunikation, Computer, Schienenverkehr und High-End-Industriemaschinen ausgeweitet.

 

In Antrieben mit variabler Frequenz (VFDs) und Motorsteuerungssystemen verkürzen Sammelschienen mit niedriger-Induktivität den Hochfrequenz-Kommutierungspfad zwischen Leistungskomponenten und DC{2}}Zwischenkreiskondensatoren; Daher sind laminierte Sammelschienen eine Standardwahl für VFD-Architekturen. Bei leistungsstarken Motorsteuerungen müssen bei der Konstruktion auch hohe Strombelastbarkeit, Temperaturwechsel und mechanische Vibrationen berücksichtigt werden.

 

Rechenzentren und Hochleistungsrechensysteme erfordern oft eine hohe Leistungsdichte und kompakte Installationsflächen. Sammelschienen können in mehrschichtigen Konfigurationen innerhalb von Schränken angeordnet werden, um Server-Stromversorgungen, Rückwandplatinen und Stromverteilungsnetzwerke zu versorgen. In diesen Umgebungen müssen laminierte Stromschienen für Supercomputer-Leiterplatten oder Rückwandplatinen ein Gleichgewicht zwischen Platzbeschränkungen und hoher Stromdichte sowie Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zwischen Signal- und Stromversorgungssystemen herstellen.

 

Die Telekommunikationsinfrastruktur stellt ähnliche Anforderungen. Basisstationen, Router und Stromversorgungsgeräte für die Telekommunikation erfordern oft die Verbindung mehrerer Leistungsmodule auf begrenztem Bauraum, was Sammelschienenkonstruktionen erfordert, die eine modulare Installation und eine niederohmige Stromversorgung ermöglichen. In solchen Geräten werden laminierte Stromschienen für die Stromverteilung in Mobilfunk-Basisstationen verwendet, um kompakte Stromverteilungspfade zu schaffen. Bei Servern und Kommunikationsgeräten dienen PDU-Sammelschienen (Power Distribution Unit) typischerweise als zentralisierte Stromverteilungspunkte für mehrere Lastzweige. Bei ihrem strukturellen Design müssen Strombelastbarkeit, Temperaturanstieg, Isolierung und Wartungsfreundlichkeit im Vordergrund stehen.

 

 

New Energy Vehicles (NEVs) stellen einen wichtigen Anwendungsbereich für Hochleistungs-DC-Verbindungsstrukturen dar. Da die Spannungspegel elektrischer Antriebssysteme steigen und die Leistungsdichten zunehmen, stoßen herkömmliche Kabelbäume und verteilte Verbindungsmethoden an Einschränkungen hinsichtlich Platzbedarf, Strombelastbarkeit und Wärmemanagement.

 

Sammelschienen in NEVs verbinden typischerweise Batteriesysteme, Wechselrichter, Motorsteuerungen und andere Hochspannungskomponenten. Folglich muss ihr strukturelles Design gleichzeitig Strombelastbarkeit, elektrische Isolierung, Vibrationsbeständigkeit und räumliche Anordnung berücksichtigen.

 

Bei Energiespeichersystemen wird mehr Wert auf eine langfristige Betriebszuverlässigkeit gelegt. Große-Energiespeicherkonverter verarbeiten oft hohe Spannungen und hohe Ströme, und Sammelschienenstrukturen wirken sich direkt auf die Verbindungsleistung zwischen Leistungsmodulen, Kondensatoren und anderen elektrischen Einheiten aus. Eine gut gestaltete laminierte Struktur ermöglicht kürzere Stromschleifen auf begrenztem Raum und erleichtert die modulare Installation von Geräten.

 

Bei Hochfrequenz-Schaltnetzteilen und Hochleistungsumwandlungsgeräten tragen Designs mit niedriger-Induktivität dazu bei, Spannungsüberschwingungen und hochfrequente Schwingungen, die durch Schalttransienten verursacht werden, zu mildern und so eine besser kontrollierte elektrische Umgebung für den stabilen Betrieb von Leistungsgeräten zu schaffen.

 

 

 

Traktionssysteme für den Schienenverkehr zeichnen sich durch hohe Leistung, langen Betrieb und komplexe mechanische Umgebungen aus; Ihre Stromverbindungsstrukturen müssen hohen Strömen sowie kontinuierlichen mechanischen Vibrationen und Temperaturschwankungen standhalten.

 

In diesen Systemen werden laminierte Stromschienen für interne Stromverbindungen innerhalb von Geräten wie Traktionsumrichtern und Hilfsstromversorgungen verwendet. Diese Sammelschienen müssen nicht nur die elektrischen Leistungsanforderungen erfüllen, sondern auch Platzbeschränkungen der Ausrüstung, mechanische Montage, Isolationssicherheit und die langfristige Betriebsumgebung berücksichtigen.

 

Ebenso werden Sammelschienenstrukturen in Traktions- und Industrieumrichteranlagen häufig auf der Grundlage der Positionierung von Leistungsmodulen, Kondensatoren und Wärmeableitungskomponenten angepasst. Bei platzbeschränkten Geräten verbessern mehrschichtige Strukturen die Integration von Stromanschlüssen und reduzieren den Platzbedarf, der mit herkömmlicher Verkabelung verbunden ist. Das Design mit niedriger-Induktivität verlagert sich von der Optimierung eines einzelnen Parameters hin zu ganzheitlichen Synergien auf Systemebene.

 

Mit der zunehmenden Verbreitung von Leistungsbauelementen mit großer{0}Bandlücke wie SiC und GaN-, die höhere Schaltgeschwindigkeiten und Betriebsfrequenzen ermöglichen,- entwickelt sich das Sammelschienendesign vom herkömmlichen Design mit stromführenden Querschnitten zu einem synergistischen Ansatz, der elektrische, thermische, mechanische und isolierende Aspekte integriert.

 

Zukünftige Sammelschienenkonstruktionen müssen nicht nur die parasitäre Induktivität minimieren, sondern auch Wechselstromverluste, Temperaturanstieg, elektrische Feldverteilung und mechanische Belastung bewältigen. Insbesondere in Hochfrequenzsystemen fungiert die Sammelschiene als integraler Bestandteil des Stromkreises, wobei ihre Geometrie direkten Einfluss auf das dynamische elektrische Verhalten des Systems hat.

 

Gleichzeitig schreitet die Technologie zur Herstellung von Sammelschienen in Richtung höherer Integrationsgrade voran und umfasst Funktionen wie eingebettete Kondensatoren, integrierte Sensoren, komplexe 3D-Leiterstrukturen und präzise Isolationsformtechniken. Diese Technologien ermöglichen kürzere Stromkreise und eine verbesserte Raumnutzung und bieten gleichzeitig eine strukturelle Grundlage für die Zustandsüberwachung von Geräten.

 

Aus technischer Sicht ist das Design vonlaminierte Sammelschienen mit niedriger -InduktivitätEs geht nicht nur darum, den niedrigstmöglichen Induktivitätswert zu erreichen; Vielmehr muss ein geeigneter Zielbereich auf der Grundlage von Faktoren wie Leistungsgeräten, Betriebsspannung, Schaltfrequenz, Wärmemanagement und Isolationsanforderungen ermittelt werden. Nur durch die gemeinsame Gestaltung der Sammelschiene mit dem gesamten Stromkreis kann das volle Potenzial der laminierten Struktur in leistungsstarken Leistungselektroniksystemen ausgeschöpft werden.

 

Insgesamt haben sich laminierte Stromschienen von einfachen Hochstromverbindern zu kritischen Strukturkomponenten in Hochleistungsgeräten der Leistungselektronik entwickelt. Ihr Wert liegt vor allem in Merkmalen wie geringer Streuinduktivität, kompakten Stromanschlüssen, steuerbaren Strompfaden und Hochspannungsisolationsdesigns. Bei der Beschaffung dieser Komponenten sollten Ingenieure Materialien, Strukturdesign und kundenspezifische Fertigungsmöglichkeiten umfassend bewerten und dabei Systemspannung, Strom, Schaltfrequenz, Installationsraum, Isolationsanforderungen und Massenproduktionsprozesse berücksichtigen.