Εφαρμογή πολυστρωματικών ζυγών σε μονάδες μεταβλητής συχνότητας υψηλής-Τάσης: Τεχνική ανάλυση μείωσης της παρασιτικής επαγωγής και ενίσχυσης της αξιοπιστίας του συστήματος

Καθώς οι μονάδες μεταβλητής συχνότητας υψηλής-τάσης (VFD) εξελίσσονται προς υψηλότερες τάσεις, υψηλότερα ρεύματα, υψηλότερες συχνότητες μεταγωγής, σμίκρυνση και υψηλότερη πυκνότητα ισχύος, οι ταχύτητες μεταγωγής των συσκευών ισχύος συνεχίζουν να αυξάνονται. Κατά συνέπεια, η δομή διασύνδεσης μεταξύ του διαύλου DC και των μονάδων ισχύος έχει γίνει ένας κρίσιμος παράγοντας που επηρεάζει την απόδοση του συστήματος.

 

Κάτω από-συνθήκες μεταγωγής υψηλής συχνότητας, οι παραδοσιακές μέθοδοι σύνδεσης-όπως οι διακριτοί χάλκινοι ζυγοί και τα καλώδια-τείνουν να δημιουργούν σημαντική παρασιτική επαγωγή. Αυτό οδηγεί σε αιχμές τάσης, ταλαντώσεις και πρόσθετες απώλειες ισχύος κατά την ταχεία εναλλαγή των συσκευών ισχύος. Ως εκ τούτου, οι ελασματοποιημένες ράβδοι χαμηλής επαγωγής-υψηλής ενοποίησης γίνονται όλο και περισσότερο η προτιμώμενη λύση διασύνδεσης για τα κυκλώματα ισχύος συνεχούς ρεύματος των VFD υψηλής{{6} τάσης.

 

Μια πλαστικοποιημένη ράβδος είναι ουσιαστικά μια σύνθετη δομή διασύνδεσης ισχύος που σχηματίζεται από εναλλασσόμενα στρώματα αγώγιμου μετάλλου και μονωτικού υλικού. Τα αγώγιμα στρώματα συνήθως χρησιμοποιούν υλικά υψηλής αγωγιμότητας όπως χαλκός ή αλουμίνιο. Το πάχος, το πλάτος και ο αριθμός των στρωμάτων τους σχεδιάζονται με βάση τις τρέχουσες τιμές, τον χώρο εγκατάστασης, τις απαιτήσεις μόνωσης και τις ανάγκες θερμικής διαχείρισης.

 

Η ηλεκτρική απομόνωση μεταξύ αγώγιμων στρωμάτων επιτυγχάνεται μέσω μονωτικών υλικών και το συγκρότημα συνδέεται μεταξύ τους-χρησιμοποιώντας πλαστικοποίηση, συγκόλληση με κόλλα ή άλλες διαδικασίες-για να σχηματιστεί μια ενοποιημένη δομή. Σε σύγκριση με την παραδοσιακή καλωδίωση-σε-σημείο, τα κύρια πλεονεκτήματα των πολυστρωματικών ζυγών είναι η ικανότητά τους να συντομεύουν τις διαδρομές μεταγωγής ρεύματος και να μειώνουν την περιοχή βρόχου και τις παρασιτικές παραμέτρους μέσω της γειτονικής διάταξης θετικών και αρνητικών αγωγών.

 

Σε εξοπλισμό μετατροπής υψηλής ισχύος-, ο δίαυλος χρησιμεύει όχι μόνο για τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας αλλά επίσης λειτουργεί ως βασικό στοιχείο που καθορίζει τις ηλεκτρικές παραμέτρους του κυκλώματος ισχύος. Από την άποψη της αρχιτεκτονικής του συστήματος, οι διασυνδέσεις μεταξύ του ζυγού και εξαρτημάτων όπως πυκνωτές φίλτρου, μονάδες ισχύος και συσκευές μεταγωγής επηρεάζουν άμεσα την σύνθετη αντίσταση και τη δυναμική απόκριση του κυκλώματος μεταγωγής.

 

Για εφαρμογές που περιλαμβάνουν πολυστρωματικούς διαύλους σε μετατροπείς υψηλής-ισχύος, η επίτευξη δομής χαμηλής-επαγωγής απαιτεί μια ολοκληρωμένη προσέγγιση σχεδίασης που λαμβάνει υπόψη τη συγκεκριμένη τοπολογία ισχύος, τη διάταξη εξαρτημάτων και τις τρέχουσες διαδρομές. Η απλή αύξηση του πάχους της χάλκινης ράβδου είναι ανεπαρκής για την επίλυση αυτών των προβλημάτων.

 

 

 

Οι συσκευές τροφοδοσίας εντός-VFD υψηλής τάσης υποβάλλονται συχνά σε λειτουργίες ταχείας ενεργοποίησης-και απενεργοποίησης-. Όταν ένας ημιαγωγός ισχύος-όπως ένα IGBT-απενεργοποιείται, το ρεύμα φορτίου πρέπει να μεταφερθεί από την αρχική του διαδρομή αγωγιμότητας στο κύκλωμα ελεύθερου τροχού εντός εξαιρετικά σύντομου χρονικού πλαισίου. Δεδομένου ότι τα πρακτικά κυκλώματα ισχύος δεν είναι ιδανικοί αγωγοί, η παρασιτική επαγωγή υπάρχει αναπόφευκτα σε διάφορους βαθμούς εντός των ράβδων, των ακροδεκτών σύνδεσης, των καλωδίων συσκευών και των εσωτερικών δομών των μονάδων ισχύος.

 

Με βάση τα θεμελιώδη ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των επαγωγέων, η παρασιτική επαγωγή δημιουργεί μια επαγόμενη τάση που αντιστοιχεί στον ρυθμό μεταβολής του ρεύματος όταν αυτό το ρεύμα υφίσταται σημαντική μετατόπιση σε σύντομο χρονικό διάστημα. Σε σενάρια μεταγωγής υψηλού-ρεύματος, υψηλού-di/dt, ακόμη και η παρασιτική επαγωγή στην περιοχή δεκάδων νανοενριών μπορεί να προκαλέσει σημαντική παροδική υπέρβαση τάσης. Οι υπερβολικές αιχμές τάσης υπερτίθενται στην τάση διαύλου συνεχούς ρεύματος, υποβάλλοντας τις συσκευές ισχύος σε στιγμιαία ηλεκτρική καταπόνηση που υπερβαίνει τη σταθερή-τάση λειτουργίας τους.

 

Οι επίμονες αιχμές υψηλής τάσης όχι μόνο αυξάνουν την τάση τάσης στις συσκευές αλλά και επιδεινώνουν τις απώλειες μεταγωγής και τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Σε ακραίες περιπτώσεις, οι μεταβατικές τάσεις μπορεί να υπερβαίνουν την ικανότητα αντοχής της συσκευής στην ονομαστική τάση, με αποτέλεσμα να διακυβεύεται η μακροζωία της συσκευής και η αξιοπιστία του συστήματος. Κατά συνέπεια, για μονάδες μεταβλητής συχνότητας υψηλής-τάσης (VFD), η μείωση της παρασιτικής επαγωγής στον βρόχο ισχύος συχνά αποφέρει μεγαλύτερα πλεονεκτήματα{3}}σε επίπεδο συστήματος από την απλή καταστολή των αιχμών επιβραδύνοντας τις ταχύτητες μεταγωγής.

 

Οι παραδοσιακές προσεγγίσεις-όπως η αύξηση της αντίστασης πύλης ή η μείωση της ταχύτητας μεταγωγής-μπορούν να μειώσουν το di/dt και έτσι να μετριάσουν τις παροδικές αιχμές τάσης. Ωστόσο, αυτές οι μέθοδοι συνήθως παρατείνουν τους χρόνους μεταγωγής και παρατείνουν την περίοδο αλληλεπικάλυψης τάσης-του ρεύματος κατά τη διαδικασία μεταγωγής, οδηγώντας τελικά σε αυξημένες απώλειες μεταγωγής. Επομένως, η μείωση της παρασιτικής επαγωγής βρόχου ισχύος μέσω δομικού σχεδιασμού-διατηρώντας λογικές ταχύτητες μεταγωγής-είναι μια κρίσιμη στρατηγική για τη βελτίωση της συνολικής απόδοσης των VFD υψηλής{{7}τάσης.

 

 

Ο πυρηνικός μηχανισμός με τον οποίο οι ελασματοποιημένοι ζυγοί μειώνουν την παρασιτική επαγωγή δεν αυξάνει απλώς την περιοχή διατομής του αγωγού-. Μάλλον, περιλαμβάνει την ελαχιστοποίηση της αποτελεσματικής περιοχής βρόχου βελτιστοποιώντας τις διαδρομές ρεύματος και τη χωρική κατανομή των μαγνητικών πεδίων. Όταν τα θετικά και αρνητικά αγώγιμα στρώματα βρίσκονται σε κοντινή απόσταση και μεταφέρουν ρεύμα σε αντίθετες κατευθύνσεις, τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται γύρω από τους δύο αγωγούς ουσιαστικά ακυρώνουν το ένα το άλλο.

 

Οι παραδοσιακοί δίαυλοι μονής-επιπέδου ή τα διακριτά καλώδια απαιτούν συνήθως σημαντικό χώρο για τη δημιουργία συνδέσεων μεταξύ θετικών και αρνητικών ακροδεκτών, με αποτέλεσμα μεγαλύτερες διαδρομές ρεύματος και μεγαλύτερο διαχωρισμό μεταξύ των αγωγών. Αυτό δημιουργεί μια μεγαλύτερη περιοχή βρόχου ρεύματος και, κατά συνέπεια, υψηλότερη παρασιτική επαγωγή. Αντίθετα, οι πολυστρωματικές κατασκευές τοποθετούν τους θετικούς και αρνητικούς αγωγούς όσο το δυνατόν πιο κοντά, αναγκάζοντας τα ρεύματα να ρέουν σε αντίθετες κατευθύνσεις κατά μήκος γειτονικών μονοπατιών. Αυτό ελαχιστοποιεί την αποθήκευση ενέργειας του μαγνητικού πεδίου και μειώνει την επαγωγή του βρόχου.

 

Αυτό το δομικό χαρακτηριστικό έχει αναγκάσει τη φιλοσοφία σχεδιασμού των πολυστρωματικών ζυγών να εξελιχθεί από απλή αγώγιμη διασύνδεση προς τον έλεγχο της σύνθετης αντίστασης βρόχου ισχύος. Για τον σύγχρονο ηλεκτρονικό εξοπλισμό ισχύος, ο ζυγός δεν είναι πλέον απλώς ένας «αγωγός» με τη μηχανική έννοια. έχει γίνει ένα κρίσιμο λειτουργικό στοιχείο που διαμορφώνει την ηλεκτρική απόδοση του συστήματος.

 

 

 

Όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα μεταγωγής των συσκευών ισχύος, τόσο πιο αυστηρές είναι οι απαιτήσεις για εξωτερικές δομές διασύνδεσης. Στα παραδοσιακά συστήματα IGBT που βασίζονται σε πυρίτιο-με σχετικά αργές ταχύτητες μεταγωγής, ένα ορισμένο επίπεδο παρασιτικών παραμέτρων ενδέχεται να μην εκδηλωθεί αμέσως ως σοβαρό πρόβλημα. Ωστόσο, με την εμφάνιση συσκευών ισχύος και τοπολογιών υψηλής συχνότητας- που προσφέρουν υψηλότερη πυκνότητα ισχύος, η επίδραση της παρασιτικής επαγωγής στη δυναμική απόδοση του συστήματος γίνεται όλο και πιο σημαντική.

 

Για συστήματα που χρησιμοποιούν συσκευές γρήγορης μεταγωγής-, ο σχεδιασμός της ράβδου ζυγού πρέπει να δίνει προτεραιότητα στη φυσική απόσταση μεταξύ του πυκνωτή σύνδεσης DC-και της μονάδας ισχύος. Μια μεγαλύτερη απόσταση συνήθως οδηγεί σε μια μεγαλύτερη διαδρομή εναλλαγής ρεύματος, καθιστώντας πιο δύσκολο τον έλεγχο της παρασιτικής επαγωγής. Συνεπώς, τα σχέδια θα πρέπει να στοχεύουν στην ελαχιστοποίηση του μήκους των βρόχων μεταγωγής υψηλής-συχνότητας και να τοποθετούν στρατηγικά πυκνωτές αποσύνδεσης για να διασφαλίζουν ότι τα ρεύματα υψηλής-συχνότητας μπορούν να ολοκληρώσουν το κύκλωμά τους μέσω της συντομότερης δυνατής διαδρομής.

 

Σε τρεις μετατροπείς-επιπέδων και πολλών-επιπέδων, οι βρόχοι ισχύος είναι πιο περίπλοκοι, που περιλαμβάνουν πολλαπλές διαδρομές εναλλαγής μεταξύ διαφορετικών σκελών γεφύρωσης και κόμβων τάσης. Σε τέτοιες περιπτώσεις, ο δίαυλος δεν πρέπει μόνο να πληροί τις τρέχουσες απαιτήσεις μεταφοράς-και μόνωσης αλλά και να διαχειρίζεται τις διαφορές επαγωγής σε διαφορετικές διαδρομές. Ο σχεδιασμός πολυστρωματικών ζυγών για μετατροπείς τριών-επιπέδων απαιτεί συχνά μια διάταξη αγωγού πολλαπλών-στρώσεων ευθυγραμμισμένη με την τοπολογία του κυκλώματος για να διασφαλιστεί καλή γεωμετρική συμμετρία μεταξύ των διαφόρων διαδρομών ρεύματος.

 

Εάν υπάρχει υπερβολική διαφορά στην παρασιτική επαγωγή μεταξύ παράλληλων διακλαδώσεων, μπορεί να προκύψει ανομοιόμορφη κατανομή ρεύματος κατά τη δυναμική λειτουργία, υποβάλλοντας ορισμένες συσκευές ισχύος σε υψηλότερο ρεύμα και θερμική καταπόνηση. Ως εκ τούτου, ο σχεδιασμός διαύλων πολλαπλών{1} επιπέδων πρέπει ταυτόχρονα να αντιμετωπίζει παράγοντες όπως η κοινή χρήση ρεύματος, η ηλεκτρομαγνητική σύζευξη, οι περιορισμοί χώρου εγκατάστασης και η θερμική διαχείριση.

 

 

Πέρα από τη μείωση της παρασιτικής επαγωγής, η πολυστρωματική δομή ενισχύει την ενσωμάτωση του βρόχου ισχύος. Τα παραδοσιακά συγκροτήματα ζυγών αποτελούνται συνήθως από πολλαπλές διακριτές ράβδους χαλκού, καλώδια σύνδεσης, μονωτικά εξαρτήματα και υλικό στερέωσης, που απαιτούν ξεχωριστά βήματα για την τοποθέτηση, τη στερέωση και την ηλεκτρική σύνδεση κατά τη συναρμολόγηση.

 

Καθώς ο εσωτερικός χώρος του εξοπλισμού περιορίζεται ολοένα και περισσότερο, τέτοιες διακριτές δομές τείνουν να περιπλέκουν τη διαδικασία συναρμολόγησης. Ένα βασικό πλεονέκτημα των ελασματοποιημένων ζυγών σε σύνθετες εγκαταστάσεις είναι η ικανότητά τους να ενσωματώνουν πολλαπλές ανεξάρτητες αγώγιμες διαδρομές σε ένα ενιαίο, ενοποιημένο συγκρότημα. Αυτό αποσαφηνίζει τις ηλεκτρικές συνδέσεις, ενώ μειώνει την ποσότητα των καλωδίων στην τοποθεσία-και τον αριθμό των σημείων σύνδεσης.

 

Αυτή η ενσωματωμένη δομή διευκολύνει επίσης τον αρθρωτό σχεδιασμό. Όταν μια σειρά προϊόντων περιλαμβάνει διάφορες ονομασίες ισχύος ή διαστάσεις τοποθέτησης, οι προδιαγραφές της ράβδου μπορούν να προσαρμοστούν ρυθμίζοντας το πάχος του αγωγού, το πλάτος, τον αριθμό στρωμάτων και τη θέση των ακροδεκτών, βελτιώνοντας έτσι τη δομική κλιμάκωση.

 

Για εξοπλισμό μετατροπής ισχύος με αυστηρούς χωρικούς περιορισμούς, οι σύνθετες δομές πολλαπλών{0}}στρωμάτων επιτρέπουν την τρισδιάστατη-διάταξη πολλαπλών ηλεκτρικών κόμβων εντός περιορισμένου αποτυπώματος. Αναθέτοντας διαφορετικά δυναμικά ή διαδρομές ρεύματος σε διαφορετικά αγώγιμα στρώματα, αυτοί οι σύνθετοι ζυγοί επιτρέπουν σε πολύπλοκα κυκλώματα ισχύος να επιτύχουν μια πιο συμπαγή διαμόρφωση.

 

 

Οι ζυγοί σε μονάδες μεταβλητής συχνότητας υψηλής-τάσης (VFD) όχι μόνο πρέπει να πληρούν τις απαιτήσεις χαμηλής-επαγωγής αλλά και να διασφαλίζουν μακροπρόθεσμη- αξιοπιστία μόνωσης. Καθώς τα επίπεδα τάσης του συστήματος αυξάνονται, απαιτείται συστηματικός σχεδιασμός για τις αποστάσεις μόνωσης, τις ηλεκτρικές αποστάσεις, τις αποστάσεις ερπυσμού και τη διηλεκτρική αντοχή των μονωτικών υλικών-τόσο μεταξύ αγώγιμων στρωμάτων όσο και μεταξύ αγώγιμων στρωμάτων και εξωτερικών μεταλλικών κατασκευών.

 

Τα μονωτικά υλικά για πλαστικοποιημένες ράβδους πρέπει να επιλέγονται με βάση την τάση λειτουργίας, τη θερμοκρασία, την υγρασία, τα επίπεδα ρύπανσης και τους μηχανικούς περιβαλλοντικούς παράγοντες. Για εφαρμογές υψηλής-τάσης, τα ζητήματα εκτείνονται πέρα ​​από την εγγενή διηλεκτρική αντοχή του υλικού και περιλαμβάνουν τη μακροπρόθεσμη-θερμική γήρανση, τα χαρακτηριστικά απορρόφησης υγρασίας, την απόδοση μερικής εκφόρτισης και την αξιοπιστία της συγκόλλησης μεταξύ των στρωμάτων.

 

Σε απαιτητικές εφαρμογές-όπως ράβδους διαύλων για αντιστροφείς υψηλής{1}τάσης-αντί εκρήξεων-η δομή μόνωσης πρέπει να λαμβάνει υπόψη τις μακροπρόθεσμες-επιπτώσεις των κραδασμών του εξοπλισμού, του θερμικού κύκλου και των πολύπλοκων βιομηχανικών περιβαλλόντων. Η διαδικασία σχεδιασμού πρέπει να είναι πέρα ​​από την αρχική απόδοση-αντοχής τάσης για να διασφαλιστεί η σταθερότητα της μόνωσης κατά τη διάρκεια-μακροπρόθεσμης λειτουργίας.

 

Σημαντικά κενά αέρα μεταξύ αγωγών και μονωτικών υλικών μπορεί να οδηγήσουν σε τοπική συγκέντρωση ηλεκτρικού πεδίου και αυξημένο κίνδυνο μερικής εκφόρτισης υπό συνθήκες υψηλής-τάσης και ταχέων{1}}παλμών. Συνεπώς, οι διαδικασίες κατασκευής πρέπει να διασφαλίζουν υψηλής ποιότητας συγκόλληση μεταξύ των στρωμάτων και να χρησιμοποιούν κατάλληλες επεξεργασίες άκρων και ενθυλάκωση μόνωσης για την ελαχιστοποίηση της πιθανής συγκέντρωσης ηλεκτρικού πεδίου.

 

 

 

Οι ζυγοί στα VFD υψηλής{0}τάσης μεταφέρουν σημαντικά ρεύματα για εκτεταμένες περιόδους, δημιουργώντας θερμότητα Joule λόγω της αντίστασης του αγωγού. Ο σχεδιασμός του ζυγού απαιτεί εξισορρόπηση ρεύματος-ικανότητα μεταφοράς, απώλειες αντίστασης, απαγωγή θερμότητας και μηχανική αντοχή.

 

Ενώ οι παραδοσιακοί χοντροί, στενοί χάλκινοι δίαυλοι μπορούν να αυξήσουν τη χωρητικότητα-μεταφοράς ρεύματος διευρύνοντας την περιοχή-διατομής, ενδέχεται να αντιμετωπίσουν περιορισμούς όσον αφορά τον χώρο, την εγκατάσταση και την απαγωγή θερμότητας σε συμπαγή εξοπλισμό. Οι πολυστρωματικές κατασκευές συνήθως χρησιμοποιούν φαρδιά, λεπτά αγώγιμα στρώματα. Αυτό βελτιώνει την κατανομή του ρεύματος αυξάνοντας το ενεργό αγώγιμο πλάτος και διευκολύνει τη θερμική διαχείριση ευθυγραμμίζοντας με τις εσωτερικές διαδρομές ροής αέρα του εξοπλισμού.

 

Για εξοπλισμό που λειτουργεί σε υψηλές συχνότητες, πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη η επίδραση του φαινομένου του δέρματος και της εγγύτητας στην αντίσταση AC. Καθώς αυξάνεται η συχνότητα, η κατανομή του ρεύματος στην διατομή-του αγωγού γίνεται μη-ομοιόμορφη. Συνεπώς, μια παχύτερη ράβδος δεν είναι απαραίτητα καλύτερη. Το βέλτιστο πάχος του αγωγού προσδιορίζεται λαμβάνοντας πλήρως υπόψη τη συχνότητα λειτουργίας, τις κυματομορφές ρεύματος, τις απαιτήσεις αύξησης θερμοκρασίας και τις διαδικασίες κατασκευής.

 

Η θερμική σύζευξη μεταξύ των διαφόρων στρωμάτων πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη στο σχέδιο. Υπάρχουν διακριτές διαδρομές αγωγιμότητας θερμότητας μεταξύ των αγώγιμων στρωμάτων, των στρωμάτων μόνωσης και του περιβάλλοντος αέρα. Όπου είναι απαραίτητο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν θερμικές προσομοιώσεις για τον εντοπισμό hotspot, επιτρέποντας τοπική βελτιστοποίηση σε περιοχές όπως τερματικά, περιοχές υψηλής πυκνότητας ρεύματος και στροφές.

 

 

Οι πολυστρωματικές ράβδοι διαύλου δεν περιορίζονται στους παραδοσιακούς δίσκους μεταβλητής συχνότητας υψηλής-τάσης. Καθώς τα ηλεκτρονικά ισχύος εξελίσσονται προς υψηλότερες συχνότητες και πυκνότητες ισχύος, η εφαρμογή τους έχει επεκταθεί και περιλαμβάνει βιομηχανικούς μετατροπείς, ελεγκτές κινητήρα, σιδηροδρομικές μεταφορές, ηλεκτρικά οχήματα και συστήματα αποθήκευσης ενέργειας.

 

Στους βιομηχανικούς μετατροπείς, χρησιμοποιούνται συχνά ζυγοί με ελασματοποίηση χαμηλής{0}επαγωγής για τη μείωση των βρόχων DC και τη μείωση των μεταβατικών τάσεων μεταγωγής, επιτρέποντας έτσι στις μονάδες ισχύος να λειτουργούν υπό ευνοϊκότερες συνθήκες ηλεκτρικής καταπόνησης. Για συστήματα μεταγωγής υψηλής ισχύος και υψηλής

 

Στον τομέα των νέων ενεργειακών οχημάτων, τα συστήματα ηλεκτροκίνησης απαιτούν μεγαλύτερη πυκνότητα ισχύος, χαμηλότερο βάρος και μεγαλύτερη αξιοπιστία. Οι πολυστρωματικές ράβδοι για ηλεκτρικά οχήματα πρέπει να αντιμετωπίζουν περιορισμούς όπως περιορισμένο χώρο εγκατάστασης, μετάδοση υψηλού ρεύματος, κραδασμούς, διακυμάνσεις θερμοκρασίας και αξιοπιστία μόνωσης. Ως εκ τούτου, οι δομές τους είναι συνήθως προσαρμοσμένες-για να ενσωματώνονται με ελεγκτές κινητήρα, μετατροπείς και συστήματα διαύλου DC.

 

Στα συστήματα σιδηροδρομικών μεταφορών, οι ράβδοι λεωφορείων πρέπει επίσης να αντέχουν-τους κραδασμούς, τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και τις συνθήκες λειτουργίας υψηλής{1} τάσης. Οι προτεραιότητες σχεδιασμού για προϊόντα όπως οι ράβδοι με πλαστικοποιημένο μετρό περιλαμβάνουν συνήθως τη μηχανική τοποθέτηση, την ηλεκτρική μόνωση, την τρέχουσα-ικανότητα μεταφοράς και τη μακροπρόθεσμη-περιβαλλοντική αξιοπιστία.

 

Για σιδηροδρομικά οχήματα και συστήματα μετατροπέα έλξης, η δομή της ράβδου πρέπει επίσης να είναι πλήρως ενσωματωμένη με μονάδες ισχύος, πυκνωτές φίλτρων και άλλο εξοπλισμό υψηλής-τάσης. Ο σχεδιασμός πρέπει να καλύπτει όχι μόνο την ηλεκτρική απόδοση αλλά και τους εσωτερικούς χωρικούς περιορισμούς και το περιβάλλον λειτουργίας του οχήματος.

 

 

Ο σχεδιασμός της μπάρας για τις μονάδες ισχύος IGBT θα πρέπει να βασίζεται στο πραγματικό κύκλωμα εναλλαγής αντί να αναπαράγει απλώς τις τυπικές διαστάσεις. Παράγοντες όπως οι θέσεις των ακροδεκτών της μονάδας ισχύος, η διάταξη του πυκνωτή DC, το ονομαστικό ρεύμα, η τάση λειτουργίας και η συχνότητα μεταγωγής επηρεάζουν την τελική δομή.

 

Η ανάπτυξη προσαρμοσμένων πολυστρωματικών διαύλων για IGBT περιλαμβάνει συνήθως διάφορα στάδια: ανάλυση ηλεκτρικών παραμέτρων, δομική διάταξη, επιλογή υλικού, σχεδιασμός μόνωσης, επαλήθευση προσομοίωσης και δοκιμή πρωτοτύπων. Οι σχεδιαστές πρέπει πρώτα να ορίσουν το κύριο κύκλωμα ισχύος και το κύκλωμα εναλλαγής υψηλής-συχνότητας και, στη συνέχεια, να καθορίσουν τις σχετικές θέσεις των αγώγιμων στρωμάτων με βάση τη ροή ρεύματος.

 

Κατά τη φάση του δομικού σχεδιασμού, οι περιττές κυκλικές διαδρομές και οι κόμβοι σύνδεσης θα πρέπει να ελαχιστοποιηθούν και να διατηρηθεί η γεωμετρική συμμετρία στα κρίσιμα κυκλώματα. Για διαύλους υψηλής-ρεύματος, πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στο συνωστισμό ρεύματος στις περιοχές τερματικών, για να αποφευχθεί η υπερβολική πυκνότητα ρεύματος που προκαλείται από οπές στερέωσης, εγκοπές ή εντοπισμένο λαιμό.

 

Μόλις ολοκληρωθεί ο δομικός σχεδιασμός, χρησιμοποιείται ηλεκτρομαγνητική προσομοίωση για τον υπολογισμό της παρασιτικής επαγωγής, της πυκνότητας ρεύματος και της κατανομής του μαγνητικού πεδίου, ενώ η θερμική προσομοίωση αναλύει τη σταθερή-αύξηση της θερμοκρασίας. Τα συστήματα υψηλής-τάσης απαιτούν επίσης επαλήθευση της διηλεκτρικής αντοχής, των χαρακτηριστικών μερικής εκφόρτισης και της περιβαλλοντικής αξιοπιστίας.
 

 

 

Η ανάπτυξη μονάδων μεταβλητής συχνότητας υψηλής-τάσης έχει οδηγήσει στη συνεχή αναβάθμιση των δομών διασύνδεσης ισχύος. Ενώ οι παραδοσιακές διακριτές ράβδους και καλώδια χαλκού προσφέρουν απλές δομές και ευέλικτη κατασκευή, οι παρασιτικές τους παράμετροι και η πολυπλοκότητα συναρμολόγησης έχουν γίνει κρίσιμα ζητήματα σε συστήματα υψηλής-συχνότητας, υψηλής-τάσης και υψηλής{4}}ισχύς-υψηλού{5}}.

 

Πλαστικοποιημένες μπάρεςπαρέχουν μια πιο συμπαγή μέθοδο διασύνδεσης για τα ηλεκτρονικά ισχύος, συντομεύοντας τις διαδρομές ρεύματος, μειώνοντας την απόσταση μεταξύ θετικών και αρνητικών αγωγών, βελτιστοποιώντας την ακύρωση μαγνητικού πεδίου και ενσωματώνοντας πολλαπλά αγώγιμα στρώματα. Η αξία τους δεν έγκειται μόνο στη μείωση της παρασιτικής επαγωγής αλλά και στη βελτίωση της συναρμολόγησης του συστήματος, της διαχείρισης μόνωσης, της θερμικής διαχείρισης και της δομικής αξιοπιστίας. Καθώς συνεχίζουν να εξελίσσονται-συσκευές ισχύος υψηλής συχνότητας, συστήματα HVDC και μετατροπείς υψηλής-ισχύς-πυκνότητας, ο σχεδιασμός των ζυγών θα δίνει ολοένα και μεγαλύτερη προτεραιότητα στη συνεργική βελτιστοποίηση της απόδοσης ηλεκτρικής, θερμικής, μηχανικής και μόνωσης.

 

Για διάφορους τύπους εξοπλισμού, ο ιδανικός σχεδιασμός πολυστρωματικής ράβδου δεν αφορά απλώς την ελαχιστοποίηση της επαγωγής. Αντιθέτως, περιλαμβάνει την ολοκληρωμένη βελτιστοποίηση ολόκληρου του βρόχου ισχύος, ενώ ικανοποιεί τις απαιτήσεις για τρέχουσα-φορητική ικανότητα, μόνωση, απαγωγή θερμότητας, μηχανική αντοχή και δυνατότητα κατασκευής.

 

Από αυτή την άποψη, ο πολυστρωματικός δίαυλος έχει εξελιχθεί από ένα συμβατικό εξάρτημα για τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας σε ένα κρίσιμο δομικό στοιχείο εντός των ηλεκτρονικών συστημάτων ισχύος. Με την αποτελεσματική διαχείριση παρασιτικών παραμέτρων, τη βελτιστοποίηση των διαδρομών μεταγωγής και τη βελτίωση της δομικής ολοκλήρωσης, αυτοί οι δίαυλοι παρέχουν ουσιαστική υποστήριξη για τη σταθερή, συμπαγή και αξιόπιστη λειτουργία κινητήρων μεταβλητής συχνότητας υψηλής-τάσης και άλλου ηλεκτρονικού εξοπλισμού υψηλής ισχύος-.