Desenvolvimento e aplicação de tecnologia de barramento laminado em sistemas de energia para armazenamento solar-mais-e veículos de energia nova

Com o rápido desenvolvimento da geração de energia fotovoltaica, dos sistemas de armazenamento de energia, dos novos veículos energéticos e da eletrônica de potência-de alta potência, os conversores de energia estão evoluindo em direção a maior densidade de potência, frequências de comutação mais altas e maior confiabilidade. Embora o desempenho dos dispositivos semicondutores de potência continue a melhorar, os parâmetros parasitas decorrentes do layout dos condutores, das estruturas de interconexão e do empacotamento dos dispositivos tornaram-se cada vez mais fatores críticos que afetam o desempenho geral do sistema.

 

Como uma estrutura de interconexão chave dentro do circuito de energia, o papel dos barramentos laminados se expandiu além da simples transmissão de energia para abranger controle de parâmetros parasitas, gerenciamento térmico e projeto de compatibilidade eletromagnética (EMC). Particularmente sob condições de comutação de alta-frequência, a estrutura do barramento influencia diretamente a indutância parasita do circuito de comutação e o excesso de tensão durante a comutação de dispositivos de potência; conseqüentemente, tornou-se um componente vital no projeto estrutural de sistemas fotovoltaicos-mais-de armazenamento e sistemas de acionamento elétrico para novos veículos de energia.

 

 

 

Em sistemas tradicionais de energia-de baixa frequência, os barramentos lidam principalmente com a transmissão-de alta corrente, com projetos de engenharia focados na corrente nominal, aumento de temperatura, folga de isolamento e resistência mecânica. No entanto, a adoção de dispositivos semicondutores de potência-como IGBTs e MOSFETs de SiC-capazes de comutação de alta-velocidade levou a taxas de variação significativamente mais altas de corrente e tensão. Como resultado, a indutância parasita inerente aos próprios condutores exerce uma influência mais pronunciada no processo de comutação.

 

Quando existe uma indutância parasita significativa no circuito de potência, as correntes que mudam rapidamente geram tensões transitórias através da indutância. A sobrecarga de tensão pode aumentar o estresse de tensão em dispositivos de energia e desencadear oscilações de alta{1}frequência e interferência eletromagnética. Portanto, reduzir a indutância parasita do circuito de comutação é um objetivo de projeto crucial para melhorar a estabilidade de conversores de alta-potência.

 

Estruturalmente, barras de cobre ou conexões de cabos tradicionais de{0}camada única geralmente exigem caminhos de corrente longos e mantêm um espaçamento substancial entre terminais positivos e negativos, criando grandes áreas de loop. Em contraste, as estruturas laminadas minimizam a distância entre os condutores positivos e negativos, aproximando os caminhos de corrente que fluem em direções opostas. Isto aumenta o efeito de cancelamento do campo magnético, reduzindo assim a indutância parasita equivalente de todo o circuito de potência.

 

Atualmente, os barramentos laminados são amplamente utilizados em conversores de alta-potência, inversores, sistemas de conversão de energia (PCS) para armazenamento de energia, controladores de motores e sistemas de acionamento elétrico para veículos de novas energias. Em conversores de alta-potência, os barramentos laminados utilizam uma estrutura compacta em camadas para encurtar os circuitos de potência, proporcionando assim um ambiente de conexão elétrica mais controlável para dispositivos de comutação de{3}}alta velocidade.

 

 

Barramentos laminados normalmente consistem em múltiplas camadas metálicas condutoras e camadas dielétricas isolantes. As camadas condutoras podem ser feitas de materiais como cobre ou alumínio, dependendo dos requisitos do sistema para corrente, tensão e estrutura mecânica; camadas isolantes fornecem isolamento elétrico entre as camadas, garantindo resistência térmica, capacidade de resistência à tensão e confiabilidade mecânica.

 

Sua característica de baixa-indutância decorre principalmente do forte acoplamento entre condutores positivos e negativos. Quando correntes que fluem em direções opostas passam por duas camadas condutoras, os campos magnéticos resultantes também têm direções opostas. Como a distância entre os dois caminhos de corrente é mínima, uma porção significativa do fluxo magnético é cancelada no espaço circundante, reduzindo assim a energia do campo magnético armazenada dentro do circuito de comutação.

 

Conseqüentemente, parâmetros como espaçamento de condutores, comprimento efetivo do circuito, largura do condutor e layout do caminho de corrente são fatores críticos no projeto de barramentos laminados. Geralmente, reduzir o comprimento do loop, minimizar o espaçamento efetivo entre condutores positivos e negativos e otimizar a largura do condutor ajudam a diminuir a indutância parasita.

 

Esta vantagem estrutural torna os barramentos laminados adequados não apenas para transmissão de potência padrão, mas também para sistemas eletrônicos de potência que exigem alta resposta dinâmica. Por exemplo, barramentos laminados de baixa-indutância são frequentemente otimizados estruturalmente para circuitos de comutação de alta-velocidade, usando projetos de baixa-indutância para mitigar o excesso de tensão durante a comutação de dispositivos.

 

 

 

Inversores fotovoltaicos (PV) e conversores de armazenamento de energia normalmente compreendem vários circuitos de energia, incluindo o lado CC, módulos de comutação de energia, unidades de filtragem e o lado de saída CA. À medida que as classificações de potência do sistema aumentam, a fiação tradicional e as conexões discretas de barramentos de cobre enfrentam desafios como requisitos excessivos de espaço, caminhos de circuito longos e acoplamento eletromagnético complexo.

 

Em sistemas de armazenamento de energia, a saída de energia CC dos conjuntos de baterias requer conversão de energia para integração na rede, fornecimento de carga ou recarga. Flutuações rápidas e altas-de corrente no link CC impõem demandas rigorosas à estrutura do barramento. A distância excessiva entre os módulos de potência e os capacitores do barramento CC pode aumentar a área do circuito de comutação, aumentando assim a indutância parasita.

 

Conseqüentemente, os conversores modernos de armazenamento de energia geralmente empregam um layout coordenado para capacitores CC, módulos de potência e barramentos para minimizar caminhos de corrente de alta-frequência e obter um acoplamento estreito entre terminais positivos e negativos por meio de condutores laminados. Para equipamentos que exigem um equilíbrio entre alta capacidade de transporte-de corrente e utilização eficiente do espaço, os barramentos laminados oferecem uma solução de interconexão compacta e multi{3}}camadas.

 

No armazenamento de energia de alta-tensão e em sistemas de energia industriais especializados, o projeto do barramento também deve levar em conta a folga do isolamento, a distribuição do campo elétrico, a montagem mecânica e a segurança sob condições operacionais anormais. Portanto, o projeto não pode focar apenas na “baixa indutância”; em vez disso, deve ser alcançado um equilíbrio racional entre as características de desempenho elétrico, de isolamento, térmico e mecânico.
 

 

 

Os sistemas de acionamento elétrico em veículos de energia nova geralmente exigem interconexões de alta-potência entre baterias, capacitores, inversores e controladores de motor em um espaço confinado. À medida que as tensões da plataforma do veículo mudam para níveis mais elevados, os circuitos de potência exigem cada vez mais baixa indutância, baixas perdas e alta integração.

 

Dentro dos inversores de acionamento elétrico, os barramentos devem lidar com correntes transitórias significativas, mantendo relações espaciais apropriadas com módulos de potência, capacitores do link CC e sistemas de controle. Barramentos laminados para veículos elétricos utilizam estruturas multi{1}}camadas para encurtar caminhos de corrente e empregam layouts compactos para maximizar a eficiência de espaço em sistemas de interconexão de energia.

 

Além disso, os barramentos em veículos de novas energias devem suportar condições ambientais exigentes, incluindo vibração, ciclos térmicos, choques mecânicos e cargas de corrente sustentadas. Em comparação com métodos de fiação simples, os barramentos estruturados facilitam projetos padronizados para posições de montagem, folgas de isolamento e interfaces de conexão.

 

Para níveis variados de tensão e circuitos funcionais, projetos em camadas-categorizados por terminais positivos/negativos, links CC, saídas CA e interfaces de controle-podem ser implementados para aprimorar a modularidade do sistema de interconexão elétrica. Uma estrutura de barramento bem-projetada reduz pontos de conexão desnecessários e minimiza o espaço de montagem consumido por chicotes elétricos complexos.

 

 

Com o avanço da eletrônica de potência de alta-tensão, os inversores-de vários níveis são cada vez mais utilizados em armazenamento de energia, acionamentos de motores e sistemas de energia industriais. Em comparação com topologias tradicionais de dois{3}}níveis, os sistemas de três{4}}níveis apresentam circuitos de energia mais complexos e vários níveis de potencial; conseqüentemente, os barramentos devem atender aos requisitos de interconexão e isolamento em vários nós elétricos.

 

No caso de barramentos laminados para inversores de três{0}}níveis, várias camadas condutoras normalmente devem ser configuradas de acordo com a topologia específica para manter relações espaciais apropriadas entre caminhos de energia em diferentes potenciais. O processo de projeto requer considerar não apenas a capacidade de transporte de corrente-de cada camada condutora, mas também a indutância parasita e as relações de indutância mútua entre as camadas.

 

A simetria estrutural também é crucial para barramentos multicamadas. Discrepâncias significativas nos comprimentos dos caminhos, nas áreas de seção transversal-do condutor ou nos pontos de conexão entre ramificações paralelas podem levar a uma distribuição dinâmica desigual de corrente entre os módulos de energia. Durante a operação-de longo prazo, esse desequilíbrio pode se manifestar à medida que a temperatura aumenta e variações localizadas na tensão dos componentes.

 

Consequentemente, o projeto de barramentos multicamadas requer uma análise abrangente integrando topologia de circuito, layout espacial 3D e simulação eletromagnética, em vez de depender apenas de dimensões mecânicas 2D.

 

 

O material de isolamento dentro de um barramento laminado serve não apenas para isolar camadas, mas também influencia as dimensões estruturais gerais, a capacidade de resistência à tensão, o desempenho térmico e a confiabilidade-de longo prazo. Em sistemas de alta-tensão, o projeto de isolamento deve levar em conta a tensão operacional, sobretensão transitória, distância de fuga, folga, temperatura e condições ambientais.

 

Embora a redução da distância entre as camadas do condutor ajude a diminuir a indutância parasita, ela simultaneamente impõe maiores demandas ao projeto de isolamento. Portanto, o espaçamento entre as camadas deve ser otimizado com base na tensão operacional e nas propriedades do material, em vez de simplesmente minimizar a espessura do isolamento.

 

Para aplicações que envolvem altas tensões ou ambientes agressivos, os barramentos do inversor à prova de explosão de alta-tensão- também devem abordar riscos potenciais, como curtos-circuitos anormais, descarga parcial, expansão térmica e choque mecânico. As principais propriedades de isolamento-incluindo rigidez dielétrica, classificação de temperatura e-estabilidade de longo prazo-devem ser verificadas por meio de testes apropriados.

 

Além disso, áreas como bordas de condutores, orifícios de parafusos, terminais de conexão e transições entre camadas são propensas à concentração de campo elétrico; medidas como arredondamento, chanfro, envolvimento de isolamento e otimização estrutural são necessárias para mitigar a intensidade do campo elétrico local.

 

 

Embora os barramentos laminados ofereçam excelente integração espacial, sua estrutura multicamadas altera os caminhos de transferência de calor. Durante a operação-de longo prazo com altas correntes, os barramentos de cobre geram calor Joule, enquanto a camada de isolamento influencia a condução de calor entre as várias camadas condutoras.

 

Conseqüentemente, o projeto do barramento requer uma avaliação abrangente de fatores como espessura do condutor, densidade de corrente, temperatura ambiente, métodos de dissipação de calor e distribuição térmica dos componentes de potência adjacentes. Para equipamentos-de alta potência, simulações térmicas ou testes reais-de aumento de temperatura são essenciais para verificar a distribuição de temperatura em diferentes zonas.

 

A densidade excessiva de corrente local pode levar a pontos de acesso significativos. Portanto, a largura do condutor e os pontos de conexão devem ser otimizados para garantir uma distribuição uniforme da corrente, evitando aglomerações significativas de corrente em conexões parafusadas, curvas terminais e áreas com recortes.

 

 

À medida que o nível de integração dos equipamentos eletrônicos de potência aumenta, confiar em dimensões de barramentos totalmente padronizadas tornou-se cada vez mais difícil. Existem variações significativas entre os equipamentos em relação aos módulos de potência, capacitores CC, espaço de instalação e locais de interface; portanto, os barramentos são normalmente projetados para atender topologias de circuito específicas e restrições mecânicas.

 

O design personalizado vai além de apenas ajustar o comprimento ou a largura; abrange vários aspectos, incluindo o número de camadas condutoras, espessura do cobre, materiais de isolamento, tipos de terminais, localizações dos orifícios de montagem e configurações de curvatura. O "Barramento laminado personalizado para IGBT" representa uma abordagem típica de projeto onde a estrutura é adaptada para corresponder a interfaces específicas de módulos de potência e layouts de sistema.

 

Na engenharia prática, o desenvolvimento de barramentos customizados normalmente envolve várias etapas: verificação de esquema elétrico, projeto estrutural 3D, simulação eletromagnética, análise térmica, fabricação de protótipo e teste/validação. Esse processo permite a detecção precoce de possíveis problemas-como interferência física, aumento excessivo de temperatura, problemas de indutância ou falhas de isolamento-antes da produção em massa.

 

 

Além dos setores de novas energias e conversores industriais, os barramentos laminados estão sendo cada vez mais adotados em fontes de alimentação de telecomunicações, servidores, data centers e sistemas de energia de alta{0}}densidade. À medida que a densidade de potência dos equipamentos de computação aumenta, o cabeamento tradicional e os métodos de conexão distribuída enfrentam desafios crescentes em relação à utilização do espaço e à eficiência da distribuição atual.

 

Em arquiteturas de energia de alta-densidade, barras de conexão compostas de-camadas permitem a integração de diversas camadas potenciais em uma estrutura compacta, facilitando a distribuição centralizada de energia em vários nós de acordo com a topologia do sistema. Os data centers e equipamentos de telecomunicações normalmente exigem alta confiabilidade para operação contínua; conseqüentemente, o projeto do barramento deve abordar não apenas a capacidade de transporte-de corrente, mas também o aumento de temperatura, o isolamento, a necessidade de manutenção e a confiabilidade mecânica. As configurações compactas de conexão laminada ajudam a minimizar cabeamento complexo e a melhorar a organização das conexões de energia nos gabinetes dos equipamentos.

 

 

Os sistemas de trânsito ferroviário são caracterizados por altos requisitos de energia, necessidade de alta confiabilidade e ambientes operacionais complexos. Os componentes de potência nos conversores de tração devem operar sob condições que envolvem ciclos frequentes de partida-parada e cargas flutuantes; portanto, as estruturas de conexão de energia devem atender simultaneamente aos requisitos de baixa indutância, alta capacidade de corrente e confiabilidade mecânica.

 

Os barramentos laminados são adequados para conexões de energia compactas em equipamentos de conversão de energia para trânsito ferroviário; layouts otimizados encurtam os circuitos de energia e reduzem o espaço ocupado associado às conexões de cabos tradicionais.

 

Em equipamentos como inversores de frequência industriais (VFDs), controladores de motores e fontes de alimentação ininterruptas (UPS), os barramentos facilitam a transmissão de energia no lado-CC e a interconexão de componentes de comutação. À medida que a densidade de potência do equipamento aumenta, os barramentos estão evoluindo de simples componentes condutores para elementos estruturais funcionais que são parte integrante do projeto elétrico, térmico e mecânico geral do sistema.

 

 

 

À medida que semicondutores de{0}}gap de banda larga-como SiC e GaN-são adotados mais amplamente, as velocidades de comutação e as frequências operacionais dos dispositivos de energia continuarão a aumentar. Conseqüentemente, as estruturas de conexão de energia precisarão exibir parâmetros parasitas mais baixos e desempenho superior-de alta frequência.

 

Uma direção futura importante para a tecnologia de barramentos laminados é o encurtamento ainda maior dos circuitos de energia e a integração mais profunda de capacitores, sensores e outros elementos funcionais diretamente no conjunto do barramento. O co-projeto de aspectos de gerenciamento estrutural, elétrico e térmico permite aumentos adicionais na densidade de potência de todo o sistema de conversão de energia.

 

Ao mesmo tempo, a fabricação de barramentos dependerá cada vez mais de projetos digitais e validação baseada em simulação-. Técnicas como simulação eletromagnética 3D, simulação térmica e análise mecânica de elementos finitos (FEA) permitem a previsão das principais métricas de desempenho antes da prototipagem, reduzindo assim os custos associados a modificações iterativas no projeto.

 

Em termos de escopo de aplicação,barramentos laminadoscontinuará a se expandir para setores como veículos de energia nova, armazenamento de energia, unidades industriais de frequência variável, transporte ferroviário, data centers e fontes de-alta potência. Sua principal proposta de valor mudará de simples conectividade de alta-corrente para baixos parâmetros parasitas, alta integração, alta confiabilidade e soluções de interconexão de energia-de sistema. No geral, embora os barramentos laminados sejam componentes fundamentais de interconexão em sistemas eletrônicos de potência, seu projeto estrutural impacta diretamente o desempenho de comutação dos dispositivos de potência, a EMI do sistema, o gerenciamento térmico e a confiabilidade operacional-de longo prazo.

 

Para equipamentos de alta-potência, alta-frequência e alta-tensão, o projeto de barramentos tornou-se uma interseção crítica entre a engenharia elétrica e estrutural. À medida que novos equipamentos-de energia e eletrônicos de potência de ponta continuam a evoluir em direção a densidades de potência mais altas, as tecnologias de barramentos focadas em baixa indutância, isolamento altamente confiável, distribuição uniforme de corrente e integração modular se tornarão áreas-chave para a otimização de sistemas de interconexão de energia no próximo estágio de desenvolvimento.