Os barramentos laminados em sistemas fotovoltaicos-mais-de armazenamento e de alta{2}}potência: tendências em projetos de baixa indutância parasita e confiabilidade

À medida que os sistemas eletrônicos de potência-como aqueles para geração de energia fotovoltaica, inversores de armazenamento de energia, veículos elétricos e transporte ferroviário-evoluem em direção a densidades de potência e frequências de comutação mais altas, as velocidades de comutação dos dispositivos de energia aumentaram. Consequentemente, o impacto dos parâmetros parasitas internos no desempenho operacional tornou-se cada vez mais significativo. Neste contexto, os barramentos laminados evoluíram de simples conectores para transmissão de energia para componentes estruturais críticos que influenciam a indutância do circuito de potência, o excesso de tensão, o gerenciamento térmico e a compatibilidade eletromagnética (EMC).

 

Nos conversores de energia tradicionais, os barramentos servem principalmente para transmitir energia CC e fornecer conexões elétricas entre várias unidades de energia. No entanto, quando os sistemas empregam dispositivos de energia de alta{1}}velocidade, como IGBTs, SiC MOSFETs ou dispositivos GaN, os altos di/dt e dv/dt gerados durante os transientes de comutação amplificam os efeitos dos parâmetros parasitas dentro do circuito de energia. Se a estrutura do barramento for mal projetada, uma indutância parasita significativa do circuito pode levar a um excesso de tensão pronunciado e a oscilações de alta{3}}frequência durante a comutação; isso aumenta o estresse de tensão nos dispositivos e impõe demandas adicionais ao controle EMI do sistema.

 

Portanto, em equipamentos-de alta conversão de potência, a seleção do barramento não pode mais ser baseada apenas na capacidade-de transporte atual; fatores como topologia elétrica, área de loop, isolamento entre camadas, condutividade térmica, montagem mecânica e distribuição de corrente de alta-frequência também devem ser considerados. Estruturas de baixa-indutância tornaram-se um foco principal no projeto de interconexão de energia, especialmente para aplicações de comutação de alta-velocidade.
 

 

 

Os barramentos laminados são normalmente formados pelo empilhamento, posicionamento e laminação de duas ou mais placas metálicas condutoras com camadas dielétricas isolantes em uma configuração específica. Os materiais condutores comuns incluem cobre e ligas de cobre, embora materiais como o alumínio possam ser usados ​​dependendo do peso, custo e requisitos-de corrente. Os materiais de isolamento entre camadas devem atender a requisitos rigorosos em relação à rigidez dielétrica, resistência à temperatura, estabilidade mecânica e confiabilidade-de longo prazo.

 

Em comparação com os barramentos de cobre discretos tradicionais, a principal vantagem da estrutura laminada é a sua capacidade de posicionar caminhos condutores de polaridade oposta ou potenciais diferentes nas proximidades. Quando correntes que fluem em direções opostas passam através de condutores adjacentes, seus respectivos campos magnéticos se cancelam parcialmente, reduzindo assim a energia efetiva do campo magnético e a indutância parasita do circuito de comutação.

 

Para conversores de alta-potência, essa estrutura é particularmente adequada-para minimizar o caminho de comutação atual entre o barramento CC e os módulos de potência. Com um projeto adequado, um barramento não apenas facilita a transmissão de alta-corrente, mas também reduz a área do circuito de comutação de alta-frequência no nível estrutural, criando assim condições operacionais mais estáveis ​​para dispositivos de energia de alta-velocidade.

 

As contagens de camadas de barramento variam dependendo da topologia do circuito. Por exemplo, um conversor de dois-níveis pode utilizar uma estrutura de-duas camadas (pólos positivo e negativo), enquanto um conversor de vários-níveis pode exigir camadas adicionais-como um ponto neutro ou outros níveis potenciais-resultando em uma configuração de múltiplas-camadas, como um barramento laminado de três-camadas. À medida que o número de camadas aumenta, as questões relativas ao isolamento elétrico, ao acoplamento de parâmetros parasitas e ao gerenciamento térmico tornam-se mais complexas; conseqüentemente, é necessária uma abordagem de design holística adaptada à topologia específica.

 

 

 

A indutância parasita dentro do circuito de potência surge principalmente dos próprios condutores, dos terminais de conexão, da estrutura interna dos módulos de potência e do arranjo espacial dos barramentos. Embora os projetistas não introduzam intencionalmente essas indutâncias, elas exercem efeitos dinâmicos significativos durante operações de comutação de alta-velocidade.

 

Com base em princípios indutivos fundamentais, mesmo a indutância parasita mínima pode gerar tensões transitórias substanciais quando a taxa de mudança de corrente é alta. Para dispositivos de comutação de alta-velocidade, um loop de comutação excessivamente longo ou uma grande separação entre os caminhos de corrente positiva e negativa aumenta a probabilidade de sobrecarga de tensão e toque de{2}}alta frequência.

 

O foco principal no projeto de barramento laminado é minimizar a distância entre os caminhos de corrente positivos e negativos e encurtar a distância de conexão entre os módulos de potência e os capacitores do barramento CC. A otimização do espaçamento dos condutores reduz a área delimitada pelo circuito de comutação, facilitando o controle do acoplamento do campo magnético e da indutância parasita do circuito.

 

Portanto, ao projetar barramentos laminados para conversores de alta-potência, os engenheiros devem considerar todo o circuito de comutação em vez de focar apenas nas dimensões do barramento. O posicionamento relativo dos capacitores, módulos de potência, terminais de conexão e barramentos influenciam os parâmetros finais do circuito.

 

 

A baixa indutância não elimina a necessidade de projeto térmico. À medida que a potência do sistema aumenta, a carga de corrente contínua no barramento aumenta; simultaneamente, a comutação de alta-velocidade sujeita a distribuição de corrente de-alta frequência aos efeitos de pele e proximidade.

 

Em frequências mais altas, a corrente não permanece uniformemente distribuída pela seção-transversal do condutor, mas tende a se concentrar em áreas de superfície específicas. Se a largura, a espessura e o espaçamento entre camadas do barramento não forem projetados de maneira ideal, poderão ocorrer problemas como aumentos localizados na densidade de corrente e aumentos concentrados de temperatura.

 

Portanto, o projeto da seção transversal-do barramento requer equilíbrio entre a capacidade-de transporte de corrente, as perdas CA, a resistência mecânica e as condições de dissipação de calor. Para conversores de armazenamento de energia de alta-potência, além de calcular a capacidade de transporte de corrente-CC, é essencial considerar variações de resistência CA em frequências operacionais reais e verificar o projeto por meio de testes de aumento de temperatura.

 

Embora uma estrutura laminada possa reduzir a área do circuito de corrente, a estrutura de isolamento multi-camadas pode alterar o caminho de dissipação de calor do condutor para o exterior. Consequentemente, fatores como espessura da camada de cobre, material de isolamento, métodos de montagem e condições de resfriamento externo devem ser considerados durante o processo de projeto. Diferentes estratégias de projeto térmico podem ser necessárias para estruturas de barramentos, dependendo se o equipamento utiliza resfriamento natural, resfriamento-de ar forçado ou resfriamento líquido.

 

 

Nos sistemas atuais, a indutância parasita não está confinada ao corpo principal do barramento; parâmetros parasitas significativos também podem surgir nas zonas de conexão entre o barramento e componentes como módulos de potência, capacitores e outras peças elétricas.

 

Parafusos de conexão, transições de terminal, dobras localizadas e mudanças abruptas na seção-transversal do condutor podem alterar o caminho atual. Se o ponto de conexão estiver longe do dispositivo de potência, todo o circuito de comutação ainda poderá apresentar indutância parasita substancial, mesmo que o barramento principal empregue uma estrutura laminada de baixa-indutância.

 

Portanto, os projetos de engenharia devem minimizar estruturas de transição desnecessárias e garantir a continuidade dos caminhos de corrente de alta-frequência. Para sistemas que exigem conexões multiponto, a simetria geométrica entre ramificações paralelas deve ser mantida tanto quanto possível para garantir caminhos elétricos e características de impedância semelhantes entre as ramificações.

 

Princípios de projeto semelhantes são aplicados em áreas como barramentos laminados para veículos elétricos e sistemas de acionamento elétrico de alta-tensão. À medida que os sistemas de acionamento elétrico evoluem para tensões e densidades de potência mais altas, os barramentos devem não apenas atender aos requisitos de transmissão de alta-corrente, mas também se adaptar ao espaço de instalação limitado e às estruturas mecânicas complexas.

 

 

Em equipamentos industriais práticos, os barramentos raramente estão situados em espaços de instalação regulares e abertos. Restrições espaciais rígidas impostas por módulos de potência, capacitores, dissipadores de calor, placas de controle e componentes estruturais geralmente exigem configurações de barramentos envolvendo curvas, recortes, ramificações e conexões multi{1}}camadas. Para barramentos laminados usados ​​em instalações complexas, o foco do projeto se estende além das dimensões do condutor para incluir precisão de alinhamento entre camadas, limites de isolamento e consistência das interfaces de montagem.

 

Furos e recortes no barramento alteram os caminhos da corrente local. Se esses recursos estiverem localizados perto de zonas de comutação primária, a corrente pode ser forçada a desviar-se em torno deles, afetando assim a densidade de corrente local e os parâmetros parasitas. Consequentemente, a localização, o tamanho e o tratamento das bordas das aberturas devem ser avaliados durante a fase de projeto estrutural para evitar que os requisitos de montagem mecânica afetem negativamente o desempenho elétrico.

 

Em sistemas-de alta tensão, a concentração do campo elétrico nas bordas dos condutores e nas interfaces de isolamento também deve ser abordada. O uso adequado de raios, chanfros e encapsulamento de isolamento pode mitigar o aumento do campo elétrico local e reduzir o risco de falha de isolamento durante operação-de longo prazo.

 

 

Quando as tensões do barramento CC atingem níveis de várias centenas de volts ou mais, o projeto do barramento transcende a simples transmissão de corrente; ele também deve levar em conta a folga, a distância de fuga, a rigidez dielétrica e a confiabilidade-do isolamento a longo prazo.

 

Em inversores de alta-tensão, o material de isolamento entre as camadas do condutor deve suportar tensão operacional contínua e estresse de tensão repetitivo causado por transientes de comutação. Para equipamentos especializados,-como barramentos inversores de alta-tensão e{4}}à prova de explosão-, o projeto estrutural também deve estar alinhado com as classificações de proteção contra entrada (IP) do equipamento, as condições ambientais e os padrões de segurança.

 

A seleção do material de isolamento deve levar em consideração a temperatura operacional-de longo prazo, a rigidez dielétrica, a resistência mecânica, a resistência à umidade e as características de envelhecimento. Para sistemas de comutação de alta-frequência e{3}}alta{3}}velocidade, a estabilidade-de longo prazo do material sob estresse repetitivo de dv/dt também é uma consideração crítica.

 

Ao mesmo tempo, simplesmente maximizar a espessura do isolamento não é a abordagem ideal. O isolamento excessivamente espesso aumenta o espaçamento entre os condutores, aumentando assim a área do circuito de comutação e aumentando potencialmente a indutância parasita. Portanto, o projeto prático requer um equilíbrio razoável entre as margens de segurança do isolamento e o objetivo de minimizar a indutância.

 

 

 

À medida que os equipamentos de conversão de energia de média- e alta-tensão evoluem, topologias multiníveis são cada vez mais adotadas em conversores de armazenamento de energia, unidades industriais de-frequência variável (VFDs) e sistemas eletrônicos de potência de alta-tensão. Embora as estruturas de três{5}}níveis permitam que o estresse de tensão nos componentes seja distribuído em vários níveis de potencial, elas também introduzem maior complexidade à estrutura do barramento. Ao projetar barramentos laminados para inversores de três níveis, o barramento normalmente deve gerenciar conexões elétricas envolvendo terminais positivos, neutros e negativos simultaneamente. Como os caminhos de comutação atuais podem mudar dependendo do estado operacional, o projeto do barramento não pode ser otimizado apenas para um único estado; em vez disso, deve acomodar loops de comutação em todos os estados de comutação primários.

 

Os esforços de design também priorizam a manutenção da simetria geométrica entre os ramos de energia. Disparidades significativas nos comprimentos dos caminhos entre ramificações paralelas podem levar a uma distribuição dinâmica desigual da corrente, fazendo com que certos componentes suportem cargas de corrente mais altas e estresse térmico.

 

Esse é um dos principais motivos pelos quais barramentos compostos multi{0}}camadas são altamente valiosos em equipamentos-de alta potência. Ao combinar múltiplas camadas de condutores com materiais isolantes, esses barramentos permitem conexões compactas envolvendo múltiplos potenciais de tensão e ramificações em um espaço limitado, ao mesmo tempo que oferecem maior flexibilidade de projeto em relação ao controle de indutância e layout mecânico.

 

 

A aplicação de barramentos laminados expandiu-se além das fontes de alimentação industriais tradicionais para setores como armazenamento de energia, automotivo, telecomunicações, computação, transporte ferroviário e maquinário industrial-de alta tecnologia.

 

Em inversores de frequência variável (VFDs) e sistemas de controle de motores, barramentos de-baixa indutância encurtam o caminho de comutação de-alta frequência entre os componentes de potência e os capacitores do link-CC; conseqüentemente, os barramentos laminados são uma escolha padrão para arquiteturas VFD. Para controladores de motores de alta-potência, os projetos também devem considerar alta capacidade-de transporte de corrente, ciclos térmicos e vibração mecânica.

 

Data centers e sistemas de computação de alto{0}}desempenho geralmente exigem alta densidade de energia e instalações compactas. Os barramentos podem ser organizados em configurações multi{2}}camadas dentro de gabinetes para servir fontes de alimentação de servidores, backplanes e redes de distribuição de energia. Nesses ambientes, os barramentos laminados para placas de circuito de supercomputadores ou backplanes devem equilibrar as restrições de espaço e a alta densidade de corrente com os requisitos de compatibilidade eletromagnética (EMC) entre os sistemas de sinal e de energia.

 

A infra-estrutura de telecomunicações apresenta requisitos semelhantes. Estações base, roteadores e equipamentos de energia de telecomunicações geralmente exigem a interconexão de vários módulos de energia em um espaço estrutural limitado, necessitando de projetos de barramentos que facilitem a instalação modular e o fornecimento de energia de baixa{1}}impedância. Nesses equipamentos, barramentos laminados projetados para distribuição de energia em estações base celulares são usados ​​para criar caminhos compactos de distribuição de energia. Para servidores e equipamentos de comunicação, os barramentos da Unidade de Distribuição de Energia (PDU) normalmente servem como pontos de distribuição de energia centralizados para múltiplas ramificações de carga; seu projeto estrutural deve priorizar a capacidade-de corrente, o aumento de temperatura, o isolamento e a facilidade de manutenção.

 

 

Os novos veículos de energia (NEVs) representam uma área de aplicação importante para estruturas de interconexão CC de alta{0}}potência. À medida que os níveis de tensão dos sistemas de acionamento elétrico aumentam e as densidades de potência aumentam, os chicotes elétricos tradicionais e os métodos de conexão distribuída enfrentam limitações em relação ao espaço, à capacidade de{2}}transporte de corrente e ao gerenciamento térmico.

 

Barramentos em NEVs geralmente conectam sistemas de baterias, inversores, controladores de motores e outros componentes de alta-tensão; conseqüentemente, seu projeto estrutural deve abordar simultaneamente a capacidade-de transporte de corrente, o isolamento elétrico, a durabilidade à vibração e o layout espacial.

 

Os sistemas de armazenamento de energia dão maior ênfase à confiabilidade operacional-de longo prazo. Conversores de armazenamento de energia em grande-escala geralmente lidam com altas tensões e altas correntes, e as estruturas de barramento afetam diretamente o desempenho da conexão entre módulos de potência, capacitores e outras unidades elétricas. Uma estrutura laminada bem-projetada permite circuitos de energia mais curtos em espaços limitados e facilita a instalação modular de equipamentos.

 

Para fontes de alimentação comutadas de alta-frequência e equipamentos de alta-conversão de energia, projetos de baixa-indutância ajudam a mitigar o excesso de tensão e as oscilações de alta-frequência causadas por transientes de comutação, criando assim um ambiente elétrico mais controlado para a operação estável de dispositivos de energia.

 

 

 

Os sistemas de tração de trânsito ferroviário são caracterizados por alta potência, operação prolongada e ambientes mecânicos complexos; suas estruturas de interconexão de energia devem suportar altas correntes, bem como vibrações mecânicas contínuas e ciclos térmicos.

 

Nestes sistemas, barramentos laminados são utilizados para conexões de alimentação interna em equipamentos como conversores de tração e fontes de alimentação auxiliares. Além de atender aos requisitos de desempenho elétrico, esses barramentos devem levar em conta as restrições de espaço do equipamento, a montagem mecânica, a segurança do isolamento e o ambiente-operacional de longo prazo.

 

Da mesma forma, as estruturas de barramentos em equipamentos de tração e conversores industriais são frequentemente personalizadas com base no posicionamento de módulos de potência, capacitores e componentes de dissipação de calor. Para equipamentos-com espaço limitado, as estruturas-multicamadas melhoram a integração das conexões de energia e reduzem o espaço ocupado associado ao cabeamento tradicional. O projeto de baixa-indutância está mudando da otimização de um único parâmetro para uma sinergia holística-no nível do sistema.

 

Com a crescente adoção de dispositivos de energia com-bandgap amplo, como SiC e GaN,-que permitem velocidades de comutação e frequências de operação mais altas,-o projeto de barramento está evoluindo do tradicional "projeto de seção transversal-de transporte de corrente" para uma abordagem sinérgica que integra considerações elétricas, térmicas, mecânicas e de isolamento.

 

Os futuros projetos de barramentos devem não apenas minimizar a indutância parasita, mas também gerenciar perdas CA, aumento de temperatura, distribuição de campo elétrico e estresse mecânico. Particularmente em sistemas-de alta frequência, o barramento funciona como parte integrante do circuito de potência, com sua geometria influenciando diretamente o comportamento elétrico dinâmico do sistema.

 

Simultaneamente, a tecnologia de fabricação de barramentos está avançando em direção a níveis mais elevados de integração, incorporando recursos como capacitores incorporados, sensores integrados, estruturas condutoras 3D complexas e técnicas de moldagem de isolamento de precisão. Essas tecnologias permitem circuitos de energia mais curtos e melhor utilização do espaço, ao mesmo tempo que fornecem uma base estrutural para o monitoramento das condições dos equipamentos.

 

Do ponto de vista da engenharia, o projeto debarramentos laminados-de baixa indutâncianão se trata apenas de alcançar o valor de indutância mais baixo possível; em vez disso, requer a determinação de uma faixa-alvo apropriada com base em fatores como dispositivos de energia, tensão operacional, frequência de comutação, gerenciamento térmico e requisitos de isolamento. Somente co-projetando o barramento com todo o circuito de potência é que todo o potencial da estrutura laminada pode ser realizado em sistemas eletrônicos de potência-de alta potência.

 

No geral, os barramentos laminados evoluíram de simples conectores de alta{0}}corrente para componentes estruturais críticos em equipamentos eletrônicos de alta-potência. Seu valor reside principalmente em recursos como baixa indutância parasita, conexões de energia compactas, caminhos de corrente controláveis ​​e projetos de isolamento de alta-tensão. Ao adquirir esses componentes, os engenheiros devem avaliar de forma abrangente os materiais, o projeto estrutural e as capacidades de fabricação personalizada, levando em consideração a tensão do sistema, a corrente, a frequência de comutação, o espaço de instalação, os requisitos de isolamento e os processos de produção em massa.