Desmascarando mais camadas, melhor equívoco em barramentos laminados

Com o rápido desenvolvimento de novas energias, eletrônica de potência e automação industrial, os barramentos laminados são amplamente utilizados em sistemas de armazenamento de energia, inversores, novos veículos de energia, módulos de potência e transporte ferroviário devido à sua baixa indutância, alta integração e bom desempenho EMC. Especialmente em equipamentos de alta-frequência e alta{2}}potência, os barramentos laminados de baixa-indução substituíram gradualmente as conexões de cabos tradicionais, tornando-se um componente importante dos sistemas de energia modernos.

 

No entanto, persiste um equívoco comum na indústria: que mais camadas em um barramento laminado significam necessariamente melhor desempenho. Na realidade, um projeto laminado é um projeto de engenharia sistemático que requer consideração abrangente de indutância, dissipação de calor, espaço estrutural, custo e cenários de aplicação. Não há conclusão absoluta de que “mais camadas equivalem a mais avançado”.

 

 

 

Os barramentos laminados normalmente são compostos de diversas camadas de barramentos de cobre condutores e meios isolantes, unidos por meio de um processo de-prensagem a quente. Elas são típicas barras de conexão de estrutura composta multicamadas. Ao otimizar a distância e o layout entre os terminais positivo e negativo, a indutância parasita no circuito pode ser significativamente reduzida, melhorando a estabilidade operacional do sistema. Atualmente, as principais especificações da indústria variam principalmente de 2 a 6 camadas, com diferentes números de camadas correspondendo a diferentes necessidades de aplicação:

 

As estruturas de 2-camadas normalmente são adequadas para equipamentos de baixa- a média-potência, oferecendo vantagens como processos de fabricação maduros, custos mais baixos e instalação simples. Eles são comumente encontrados em barramentos básicos de unidades de distribuição de energia, inversores de baixa tensão e sistemas gerais de distribuição de energia industrial.

 

Estruturas de 3-camadas são uma das soluções mais amplamente utilizadas. Barramentos laminados de três{3}}camadas proporcionam melhor distribuição de corrente e blindagem eletromagnética, oferecendo alto custo-em equipamentos de média potência. Eles são amplamente utilizados em inversores de armazenamento de energia, sistemas UPS e novos módulos de controle auxiliares de energia.

 

Estruturas com quatro ou mais camadas são usadas com mais frequência em cenários de alta-frequência, alta-potência e topologia complexa, como barramentos laminados em conversores de alta potência, barramentos laminados IGBT e sistemas PCS de armazenamento de energia em grande-escala. Suas principais vantagens residem na menor indutância parasita, capacidades EMC mais fortes e maior integração do sistema.

 

 

 

I. Mudanças no desempenho elétrico

Com o aumento do número de camadas, uma estrutura de acoplamento mais estreita pode ser formada entre os condutores positivos e negativos, reduzindo assim a indutância parasita. Isso é particularmente importante para dispositivos SiC de alta-frequência e módulos IGBT de comutação de alta-velocidade.

 

Barramentos laminados personalizados para IGBTs normalmente se concentram na otimização da estrutura intercamada do barramento para reduzir picos de tensão e interferência EMI gerada durante a comutação.

 

No entanto, aumentar o número de camadas não significa necessariamente uma melhoria ilimitada no desempenho. Muitas camadas podem levar ao aumento da capacitância parasita intercamadas, que, se os parâmetros não forem adequadamente combinados, podem impactar negativamente a estabilidade do sistema. Portanto, ao projetar um barramento laminado para um inversor de três-níveis, os parâmetros de indutância e capacitância devem ser balanceados simultaneamente.

 

II. Mudanças na capacidade de dissipação de calor

As estruturas multicamadas podem expandir o caminho de condução de calor e a área de dissipação de calor, portanto, os barramentos multicamadas normalmente apresentam um aumento de temperatura menor sob as mesmas condições-de transporte de corrente.

 

Em cenários de alta-corrente, como barramentos inversores à prova de explosão-de alta tensão, as estruturas multicamadas podem efetivamente reduzir pontos quentes locais e melhorar a estabilidade operacional-de longo prazo.

 

Porém, ao mesmo tempo, aumentar o número de camadas também leva a um aumento na espessura total, ocupando mais espaço de instalação. Portanto, em dispositivos compactos, o layout interno precisa ser considerado de forma abrangente.

 

III. Capacidades aprimoradas de integração de sistemas

Uma das maiores vantagens dos barramentos laminados é o seu alto grau de integração. Em comparação com chicotes elétricos tradicionais, as estruturas multi{1}}camadas podem integrar simultaneamente vários loops de energia, loops de sinal e sistemas de aterramento, reduzindo nós de conexão e melhorando a confiabilidade do sistema.

 

Por exemplo:

Barramentos laminados para distribuição de backplanes de energia podem ser usados ​​em servidores e sistemas de energia industriais.

Barramentos laminados para distribuição de backplane do roteador são adequados para fonte de alimentação interna em equipamentos de comunicação.

Barramentos laminados para distribuição de energia de estação base celular são amplamente utilizados em estações base 5G e fontes de alimentação de comunicação.

Em ambientes de cabeamento complexos, os barramentos laminados para instalações de barramentos complexos reduzem efetivamente os requisitos de espaço e simplificam o processo de instalação.

 

4. Estabilidade estrutural e capacidade anti-interferência

Estruturas multi{0}}camadas podem formar um circuito de blindagem eletromagnética mais completo, melhorando assim a capacidade anti-interferência do sistema.

 

Nas áreas de veículos de nova energia, sistemas de acionamento elétrico e transporte ferroviário, os barramentos controladores de motores e os barramentos laminados de metrô têm altos requisitos de desempenho EMC. Estruturas simétricas multi{1}}camadas podem efetivamente reduzir problemas de desequilíbrio de corrente e melhorar a capacidade de operação estável-de longo prazo dos equipamentos.

 

Para transporte ferroviário e sistemas de tração de alta-potência, o barramento composto para fonte de alimentação de trens, os módulos de potência de quatro{1}}quadrantes também precisam resistir a impactos dinâmicos, suportar altas temperaturas e manter alto desempenho de isolamento.
 

 

Embora os barramentos de camadas superiores-ofereçam desempenho superior, a complexidade da fabricação aumenta proporcionalmente.

 

Produtos de duas{0}} a três{1}}camadas têm processos relativamente maduros, altas taxas de rendimento e custos de processamento controláveis.

 

Produtos de quatro{0}}camadas e superiores exigem mais controle de espessura da folha de cobre, precisão de laminação de isolamento, processos de prensagem-a quente e layout simétrico. Isto é especialmente verdadeiro para estruturas especializadas, como barramentos parcialmente laminados, que exigem precisão extremamente alta no processamento de áreas locais de isolamento e condução.

 

Além disso, estruturas multi-camadas significam:

Aumento do consumo de matéria-prima;

Processos de laminação mais complexos;

Padrões de testes mais rigorosos;

Ciclos de produção mais longos.

 

Portanto, soluções-de alta camada não são necessariamente adequadas para todos os projetos.

 

 

Para equipamentos de pequena e média potência com potência abaixo de 100 kW, duas a três camadas geralmente são suficientes. Esses cenários incluem aplicações básicas, como sistemas gerais de armazenamento de energia, pequenos sistemas UPS e barramentos de sistema de fonte de alimentação ininterrupta (UPS).

 

Para sistemas de potência média-a{1}}alta (100 kW a 500 kW), uma estrutura de 3 a 4 camadas é mais adequada para equilibrar o desempenho da indutância, a dissipação de calor e os custos de fabricação.

 

Para sistemas de alta-potência superiores a 500 kW, conversores SiC de alta-frequência e grandes sistemas de armazenamento de energia, normalmente é necessária uma estrutura de 4 a 6 camadas para atender aos requisitos de menor indutância, maior capacidade de EMC e maior dissipação de calor.

 

Os exemplos incluem:

Barramento laminado para carros elétricos;

Barramento inversor à prova de explosão de alta tensão-

Sistemas PCS de armazenamento de energia em grande-escala;

Conversores de frequência de alta-tensão;

Novos sistemas de acionamento principal de veículos energéticos.

 

Em circuitos complexos, como topologias de vários-níveis, uma estrutura de 3-a 5 camadas geralmente é necessária para que o barramento laminado de inversores de três níveis obtenha caminhos de corrente simétricos e controle de compartilhamento de corrente estável.

 

 

 

Equívoco 1: Mais camadas significam necessariamente melhor desempenho

Na realidade, o número de camadas é o único parâmetro que afeta o desempenho.

A espessura do barramento de cobre, o material de isolamento, o layout do circuito, o espaçamento dos condutores e a precisão do processamento impactam diretamente o desempenho final.

Aumentar cegamente o número de camadas não só aumenta os custos, mas também pode afetar a estabilidade do equipamento devido a alterações nos parâmetros parasitas.

 

Equívoco 2: Produtos de-camada inferior são "soluções-de baixo custo".

Na verdade, para muitos dispositivos de pequena e média potência, estruturas de 2- a 3 camadas são as soluções mais maduras, estáveis ​​e econômicas.

Um barramento laminado de três-camadas bem{0}}projetado pode atender totalmente às necessidades da maioria das aplicações industriais convencionais.

 

Equívoco 3: Produtos com o mesmo número de camadas têm o mesmo desempenho

Mesmo com o mesmo número de camadas, ainda podem existir diferenças significativas entre diferentes designs.

Por exemplo, o arranjo da folha de cobre, o material de isolamento, o processo de-prensagem a quente e a simetria do condutor afetam diretamente o desempenho do barramento.

O desempenho real de barramentos de cobre de alta{0}}qualidade costuma ser muito superior ao de produtos estruturais comuns.

 

 

 

Com o desenvolvimento contínuo de dispositivos SiC, tecnologia de inversores de alta{0}}frequência e sistemas de armazenamento de energia, os barramentos laminados estão evoluindo para frequências mais altas, maior integração e maior refinamento.

 

No futuro, campos eletrônicos-de alta tecnologia, como barramentos laminados para placas de circuito de supercomputadores ou backplanes, impulsionarão ainda mais o desenvolvimento de barramentos em direção à alta densidade, miniaturização e personalização.

 

Ao mesmo tempo, os projetos de barramentos dedicados para veículos de novas energias, eletrônica de potência e equipamentos de comunicação se tornarão mais segmentados, com a indústria colocando maior ênfase na “adaptação de aplicações” em vez de simplesmente buscar um aumento no número de camadas.

 

 

O valor central dos barramentos laminados não reside em “mais camadas”, mas na sua capacidade de atender com precisão aos requisitos do equipamento.

 

Um design de camada razoável deve considerar de forma abrangente:

Potência do equipamento;

Frequência de comutação;

Requisitos de EMC;

Capacidade de dissipação de calor;

Espaço de instalação;

Custo de fabricação;

Estabilidade operacional-de longo prazo.

 

Somente através do design científico baseado em cenários de aplicação reais é que as vantagens de desempenho doBarramentos laminados, componentes eletrônicos passivos, sejam verdadeiramente realizados, alcançando o equilíbrio ideal entre eficiência, confiabilidade e custo do sistema.