تطوير وتطبيق تقنية قضبان التوصيل الرقائقية في أنظمة الطاقة للطاقة الشمسية-وأكثر-التخزين ومركبات الطاقة الجديدة

مع التطور السريع لتوليد الطاقة الكهروضوئية، وأنظمة تخزين الطاقة، ومركبات الطاقة الجديدة، وإلكترونيات الطاقة العالية-، تتطور محولات الطاقة نحو كثافة طاقة أعلى، وترددات تحويل أعلى، وموثوقية أكبر. بينما يستمر أداء أجهزة أشباه موصلات الطاقة في التحسن، أصبحت المعلمات الطفيلية الناشئة عن تخطيط الموصل وهياكل التوصيل البيني وتغليف الأجهزة عوامل حاسمة بشكل متزايد تؤثر على الأداء العام للنظام.

 

باعتبارها هيكلًا رئيسيًا للتوصيل البيني داخل دائرة الطاقة، فقد توسع دور قضبان التوصيل المصفحة إلى ما هو أبعد من نقل الطاقة البسيط ليشمل التحكم في المعلمات الطفيلية، والإدارة الحرارية، وتصميم التوافق الكهرومغناطيسي (EMC). خاصة في ظل ظروف التبديل ذات التردد العالي-، يؤثر هيكل قضيب التوصيل بشكل مباشر على الحث الشارد لحلقة التبديل وتجاوز الجهد أثناء تبديل أجهزة الطاقة؛ وبالتالي، فقد أصبح عنصرًا حيويًا في التصميم الهيكلي لأنظمة التخزين الكهروضوئية-زائد- وأنظمة القيادة الكهربائية لمركبات الطاقة الجديدة.

 

 

 

في أنظمة الطاقة التقليدية ذات التردد المنخفض-، تتعامل قضبان التوصيل في المقام الأول مع نقل التيار العالي-، مع تركيز التصميمات الهندسية على التيار المقدر، وارتفاع درجة الحرارة، وخلوص العزل، والقوة الميكانيكية. ومع ذلك، فإن استخدام أجهزة أشباه موصلات الطاقة-مثل IGBTs وSiC MOSFETs-القادرة على التبديل بسرعة-عالية أدى إلى معدلات تغيير أعلى بشكل ملحوظ للتيار والجهد. ونتيجة لذلك، فإن الحث الطفيلي المتأصل في الموصلات نفسها يمارس تأثيرًا أكثر وضوحًا على عملية التبديل.

 

عند وجود محاثة شاردة كبيرة في دائرة الطاقة، تولد التيارات المتغيرة بسرعة جهدًا عابرًا عبر المحاثة. يمكن أن يؤدي تجاوز الجهد الكهربي إلى زيادة ضغط الجهد على أجهزة الطاقة ويؤدي إلى حدوث تذبذبات عالية التردد وتداخل كهرومغناطيسي. لذلك، يعد تقليل الحث الشارد لحلقة التبديل أحد أهداف التصميم الحاسمة لتعزيز استقرار-محولات الطاقة العالية.

 

من الناحية الهيكلية، غالبًا ما تتطلب القضبان النحاسية التقليدية أو توصيلات الكابلات أحادية الطبقة- مسارات تيار طويلة وتحافظ على مسافات كبيرة بين الأطراف الموجبة والسالبة، مما يؤدي إلى إنشاء مناطق حلقات كبيرة. في المقابل، تعمل الهياكل المصفحة على تقليل المسافة بين الموصلات الإيجابية والسلبية، مما يجعل المسارات الحالية التي تتدفق في اتجاهين متعاكسين أقرب إلى بعضها البعض. يؤدي ذلك إلى تعزيز تأثير إلغاء المجال المغناطيسي، وبالتالي تقليل الحث الضال المكافئ لدائرة الطاقة بأكملها.

 

في الوقت الحالي، يتم استخدام قضبان التوصيل المصفحة على نطاق واسع في محولات الطاقة العالية-والعواكس وأنظمة تحويل الطاقة لتخزين الطاقة (PCS) وأجهزة التحكم في المحركات وأنظمة القيادة الكهربائية لمركبات الطاقة الجديدة. في محولات الطاقة العالية-، تستخدم أشرطة التوصيل المصفحة بنية مدمجة ذات طبقات لتقصير حلقات الطاقة، وبالتالي توفير بيئة توصيل كهربائي أكثر قابلية للتحكم لأجهزة التبديل عالية السرعة-.

 

 

تتكون قضبان التوصيل المصفحة عادةً من طبقات معدنية موصلة متعددة وطبقات عازلة عازلة. قد تكون الطبقات الموصلة مصنوعة من مواد مثل النحاس أو الألومنيوم، اعتمادًا على متطلبات النظام للتيار والجهد والهيكل الميكانيكي؛ توفر الطبقات العازلة العزل الكهربائي بين الطبقات مع ضمان المقاومة الحرارية والقدرة على تحمل الجهد والموثوقية الميكانيكية.

 

تنبع خاصية الحث المنخفض-في المقام الأول من الاقتران المحكم بين الموصلات الموجبة والسالبة. عندما تمر التيارات المتدفقة في اتجاهين متعاكسين عبر طبقتين من الموصلات، فإن المجالات المغناطيسية الناتجة تكون أيضًا في اتجاه معاكس. نظرًا لأن المسافة بين مساري التيار ضئيلة، فإن جزءًا كبيرًا من التدفق المغناطيسي يختفي في الفضاء المحيط، مما يقلل من طاقة المجال المغناطيسي المخزنة داخل حلقة التبديل.

 

وبالتالي، فإن المعلمات مثل تباعد الموصلات، وطول الحلقة الفعالة، وعرض الموصل، وتخطيط المسار الحالي هي عوامل حاسمة في تصميم شريط التوصيل الرقائقي. بشكل عام، تقليل طول الحلقة، وتقليل التباعد الفعال بين الموصلات الإيجابية والسلبية، وتحسين عرض الموصل يساعد على تقليل الحث الطفيلي.

 

هذه الميزة الهيكلية تجعل قضبان التوصيل المصفحة مناسبة ليس فقط لنقل الطاقة القياسي ولكن أيضًا لأنظمة إلكترونيات الطاقة التي تتطلب استجابة ديناميكية عالية. على سبيل المثال،-قضبان التوصيل ذات الحث المنخفض غالبًا ما يتم تحسينها هيكليًا لدوائر التبديل عالية السرعة-، وذلك باستخدام تصميمات الحث المنخفض- لتخفيف تجاوز الجهد الكهربي أثناء تبديل الجهاز.

 

 

 

تشتمل محولات الطاقة الكهروضوئية (PV) ومحولات تخزين الطاقة عادةً على دوائر طاقة متعددة، بما في ذلك جانب التيار المستمر، ووحدات تبديل الطاقة، ووحدات التصفية، وجانب خرج التيار المتردد. مع زيادة معدلات طاقة النظام، تواجه الأسلاك التقليدية ووصلات القضبان النحاسية المنفصلة تحديات مثل متطلبات المساحة الزائدة، ومسارات الدائرة الطويلة، والاقتران الكهرومغناطيسي المعقد.

 

في أنظمة تخزين الطاقة، يتطلب إخراج طاقة التيار المستمر من مجموعات البطاريات تحويل الطاقة لتكامل الشبكة أو إمداد الحمل أو إعادة الشحن. تفرض تقلبات التيار-السريعة والعالية داخل رابط DC متطلبات صارمة على بنية شريط التوصيل. يمكن أن تؤدي المسافة المفرطة بين وحدات الطاقة ومكثفات وصلة التيار المستمر إلى زيادة مساحة حلقة التبديل، وبالتالي زيادة الحث الشارد.

 

وبالتالي، غالبًا ما تستخدم محولات الطاقة الحديثة لتخزين الطاقة تخطيطًا منسقًا لمكثفات التيار المستمر، ووحدات الطاقة، وأشرطة التوصيل لتقليل مسارات التيار عالي التردد- وتحقيق اقتران محكم بين الأطراف الموجبة والسالبة من خلال الموصلات المصفحة. بالنسبة للمعدات التي تتطلب توازنًا بين سعة حمل التيار العالي- والاستخدام الفعال للمساحة، توفر قضبان التوصيل المصفحة حلاً مدمجًا ومتعدد-للربط البيني.

 

في تخزين الطاقة ذات الجهد العالي- وأنظمة الطاقة الصناعية المتخصصة، يجب أن يأخذ تصميم قضبان التوصيل أيضًا في الاعتبار خلوص العزل، وتوزيع المجال الكهربائي، والتركيب الميكانيكي، والسلامة في ظل ظروف التشغيل غير الطبيعية. ولذلك، لا يمكن للتصميم أن يركز فقط على "الحث المنخفض"؛ وبدلاً من ذلك، يجب تحقيق توازن عقلاني بين خصائص الأداء الكهربائي والعزل والحراري والميكانيكي.
 

 

 

تتطلب أنظمة القيادة الكهربائية في مركبات الطاقة الجديدة عادةً توصيلات بينية عالية الطاقة بين البطاريات والمكثفات والعاكسات وأجهزة التحكم في المحركات داخل مساحة محدودة. مع تحول جهد منصة المركبة نحو مستويات أعلى، تتطلب دوائر الطاقة بشكل متزايد محاثة منخفضة، وفقد منخفض، وتكامل عالي.

 

داخل محولات القيادة الكهربائية، يجب أن تتعامل قضبان التوصيل مع تيارات عابرة كبيرة مع الحفاظ على العلاقات المكانية المناسبة مع وحدات الطاقة، ومكثفات وصلة التيار المستمر، وأنظمة التحكم. تستخدم قضبان التوصيل المصفحة للسيارات الكهربائية هياكل متعددة-من الطبقات لتقصير المسارات الحالية واستخدام تخطيطات مدمجة لزيادة كفاءة المساحة إلى أقصى حد في أنظمة ربط الطاقة.

 

علاوة على ذلك، يجب أن تتحمل قضبان التوصيل في مركبات الطاقة الجديدة الظروف البيئية الصعبة، بما في ذلك الاهتزاز، والتدوير الحراري، والصدمات الميكانيكية، والأحمال الحالية المستمرة. بالمقارنة مع طرق الأسلاك البسيطة، تسهل قضبان التوصيل الهيكلية التصميمات الموحدة لمواقع التركيب، وخلوصات العزل، وواجهات الاتصال.

 

بالنسبة لمستويات الجهد المختلفة والدوائر الوظيفية، يمكن تنفيذ تصميمات الطبقات-المصنفة حسب المحطات الموجبة/السالبة وروابط التيار المستمر ومخرجات التيار المتردد وواجهات التحكم-لتحسين نمطية نظام التوصيل البيني الكهربائي. تعمل بنية قضيب التوزيع-المصممة بشكل جيد على تقليل نقاط الاتصال غير الضرورية وتقليل مساحة التجميع التي تستهلكها أحزمة الأسلاك المعقدة.

 

 

مع التقدم في إلكترونيات الطاقة-ذات الجهد العالي،-يتم استخدام العاكسات متعددة المستويات بشكل متزايد في تخزين الطاقة، ومحركات المحركات، وأنظمة الطاقة الصناعية. بالمقارنة مع الهياكل التقليدية ذات المستويين-، تتميز الأنظمة ذات المستويات الثلاثة- بدوائر طاقة أكثر تعقيدًا ومستويات محتملة متعددة؛ وبالتالي، يجب أن تدير قضبان التوصيل متطلبات التوصيل البيني والعزل عبر العقد الكهربائية المتعددة.

 

في حالة أشرطة التوصيل المصفحة لثلاثة-عاكسات على المستوى، يجب عادةً تكوين طبقات موصلة متعددة وفقًا للهيكل المحدد للحفاظ على العلاقات المكانية المناسبة بين مسارات الطاقة بإمكانات مختلفة. تتطلب عملية التصميم النظر ليس فقط في القدرة الاستيعابية الحالية-لكل طبقة موصل ولكن أيضًا في الحث الطفيلي وعلاقات الحث المتبادل بين الطبقات.

 

يعد التماثل الهيكلي أيضًا أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة لأشرطة التوصيل متعددة الطبقات. يمكن أن تؤدي التناقضات الكبيرة في أطوال المسار أو مناطق المقطع العرضي- للموصل أو نقاط الاتصال بين الفروع المتوازية إلى توزيع تيار ديناميكي غير متساوٍ عبر وحدات الطاقة. على مدى فترة طويلة من التشغيل-، يمكن أن يظهر هذا الاختلال في التوازن مع ارتفاع درجة الحرارة المحلية والتغيرات في إجهاد المكونات.

 

وبالتالي، فإن تصميم قضبان التوصيل متعددة الطبقات يتطلب تحليلًا شاملاً يدمج طوبولوجيا الدائرة، والتخطيط المكاني ثلاثي الأبعاد، والمحاكاة الكهرومغناطيسية، بدلاً من الاعتماد فقط على الأبعاد الميكانيكية ثنائية الأبعاد.

 

 

لا تعمل المادة العازلة الموجودة داخل قضيب التوصيل المصفح على عزل الطبقات فحسب، بل تؤثر أيضًا على الأبعاد الهيكلية الشاملة، والقدرة على تحمل الجهد، والأداء الحراري، -والموثوقية على المدى الطويل. في أنظمة الجهد العالي-، يجب أن يأخذ تصميم العزل في الاعتبار جهد التشغيل، والجهد الزائد العابر، ومسافة الزحف، والخلوص، ودرجة الحرارة، والظروف البيئية.

 

في حين أن تقليل المسافة بين طبقات الموصل يساعد على تقليل الحث الشارد، فإنه في الوقت نفسه يضع متطلبات أكبر على تصميم العزل. لذلك، يجب تحسين التباعد بين الطبقات بناءً على جهد التشغيل وخصائص المواد، بدلاً من مجرد تقليل سمك العزل.

 

بالنسبة للتطبيقات التي تتضمن جهدًا كهربائيًا عاليًا أو بيئات قاسية، يجب أيضًا أن تعالج قضبان التوصيل العاكسة المقاومة للانفجار-ذات الجهد العالي- المخاطر المحتملة مثل دوائر القصر غير الطبيعية، والتفريغ الجزئي، والتمدد الحراري، والصدمات الميكانيكية. يجب التحقق من خصائص العزل الرئيسية-بما في ذلك قوة العزل الكهربائي، وتقييم درجة الحرارة، والثبات على المدى الطويل--من خلال الاختبارات المناسبة.

 

علاوة على ذلك، فإن مناطق مثل حواف الموصلات، وفتحات البراغي، وأطراف التوصيل، والتحولات البينية تكون عرضة لتركيز المجال الكهربائي؛ هناك حاجة إلى تدابير مثل التقريب والشطب وتغليف العزل والتحسين الهيكلي للتخفيف من كثافة المجال الكهربائي المحلي.

 

 

على الرغم من أن قضبان التوصيل المصفحة توفر تكاملًا مكانيًا ممتازًا، إلا أن هيكلها متعدد الطبقات يغير مسارات نقل الحرارة. أثناء التشغيل-على المدى الطويل بتيارات عالية، تولد قضبان التوصيل النحاسية حرارة جول، بينما تؤثر الطبقة العازلة على التوصيل الحراري بين طبقات الموصل المختلفة.

 

وبالتالي، يتطلب تصميم قضيب التوصيل تقييمًا شاملاً لعوامل مثل سمك الموصل، وكثافة التيار، ودرجة الحرارة المحيطة، وطرق تبديد الحرارة، والتوزيع الحراري لمكونات الطاقة المجاورة. بالنسبة للمعدات-عالية الطاقة، تعد عمليات المحاكاة الحرارية أو اختبارات ارتفاع درجة الحرارة الفعلية-ضرورية للتحقق من توزيع درجة الحرارة عبر المناطق المختلفة.

 

يمكن أن تؤدي كثافة التيار المحلية المفرطة إلى نقاط ساخنة كبيرة. ولذلك، ينبغي تحسين عرض الموصل ونقاط الاتصال لضمان التوزيع الموحد للتيار، ومنع الازدحام الكبير للتيار عند الوصلات المثبتة بمسامير، والانحناءات الطرفية، والمناطق ذات القواطع.

 

 

مع زيادة مستوى تكامل المعدات الإلكترونية للطاقة، أصبح الاعتماد على أبعاد قضبان التوصيل الموحدة بالكامل أمرًا صعبًا بشكل متزايد. توجد اختلافات كبيرة عبر المعدات فيما يتعلق بوحدات الطاقة، ومكثفات التيار المستمر، ومساحة التثبيت، ومواقع الواجهة؛ وبالتالي، يتم تصميم أشرطة التوصيل عادةً لتناسب طوبولوجيات الدوائر المحددة والقيود الميكانيكية.

 

التصميم المخصص يتجاوز مجرد تعديل الطول أو العرض؛ وهو يشمل جوانب متعددة، بما في ذلك عدد طبقات الموصل، وسمك النحاس، والمواد العازلة، وأنواع الأطراف، ومواقع ثقب التثبيت، وتكوينات الانحناء. يمثل "شريط التوزيع المصفح المخصص لـ IGBT" أسلوب تصميم نموذجي حيث تم تصميم الهيكل ليتناسب مع واجهات وحدة الطاقة المحددة وتخطيطات النظام.

 

في الهندسة العملية، عادةً ما يتضمن تطوير قضبان التوصيل المخصصة عدة مراحل: التحقق التخطيطي الكهربائي، والتصميم الهيكلي ثلاثي الأبعاد، والمحاكاة الكهرومغناطيسية، والتحليل الحراري، وتصنيع النموذج الأولي، والاختبار/التحقق من الصحة. تسمح هذه العملية بالاكتشاف المبكر للمشكلات المحتملة-مثل التداخل المادي، أو الارتفاع المفرط في درجة الحرارة، أو مشكلات الحث، أو فشل العزل-قبل الإنتاج الضخم.

 

 

وبعيدًا عن قطاعات الطاقة الجديدة والمحولات الصناعية، يتم اعتماد قضبان التوصيل المصفحة بشكل متزايد في إمدادات الطاقة الخاصة بالاتصالات، والخوادم، ومراكز البيانات، وأنظمة الطاقة-عالية الكثافة. مع ارتفاع كثافة الطاقة لمعدات الحوسبة، تواجه الكابلات التقليدية وطرق الاتصال الموزعة تحديات متزايدة فيما يتعلق باستخدام المساحة وكفاءة التوزيع الحالية.

 

في بنيات الطاقة-عالية الكثافة، تتيح أشرطة الاتصال المركبة متعددة الطبقات-تكامل الطبقات المحتملة المتعددة في بنية مدمجة، مما يسهل التوزيع المركزي للطاقة عبر العقد المختلفة وفقًا لبنية النظام. تتطلب مراكز البيانات ومعدات الاتصالات عادةً موثوقية عالية للتشغيل المستمر؛ وبالتالي، يجب أن يتناول تصميم قضيب التوصيل ليس فقط القدرة الاستيعابية الحالية-ولكن أيضًا ارتفاع درجة الحرارة، والعزل، وتخليص الصيانة، والموثوقية الميكانيكية. تساعد تكوينات الاتصال المصفحة المدمجة على تقليل الكابلات المعقدة وتحسين تنظيم توصيلات الطاقة داخل خزانات المعدات.

 

 

تتميز أنظمة النقل بالسكك الحديدية بمتطلبات طاقة عالية، والحاجة إلى موثوقية عالية، وبيئات تشغيل معقدة. يجب أن تعمل مكونات الطاقة داخل محولات الجر في ظل ظروف تتضمن دورات توقف متكررة- وأحمال متقلبة؛ لذلك، يجب أن تلبي هياكل توصيل الطاقة في نفس الوقت متطلبات الحث المنخفض والقدرة الحالية العالية والموثوقية الميكانيكية.

 

تعتبر قضبان التوصيل المصفحة مناسبة لتوصيلات الطاقة المدمجة في معدات تحويل الطاقة للنقل بالسكك الحديدية؛ تعمل التخطيطات المحسنة على تقصير حلقات الطاقة وتقليل المساحة المرتبطة باتصالات الكابلات التقليدية.

 

في المعدات مثل محركات الترددات الصناعية المتغيرة (VFDs)، وأجهزة التحكم في المحركات، ومصادر إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS)، تعمل أشرطة التوصيل على تسهيل نقل الطاقة من جانب التيار المستمر -والتوصيل البيني لمكونات التبديل. مع زيادة كثافة طاقة المعدات، تتطور قضبان التوصيل من مكونات موصلة بسيطة إلى عناصر هيكلية وظيفية تعتبر جزءًا لا يتجزأ من التصميم الكهربائي والحراري والميكانيكي الشامل للنظام.

 

 

 

نظرًا لأن -أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسع-مثل SiC وGaN- تشهد اعتمادًا أوسع، فإن سرعات التبديل وترددات التشغيل لأجهزة الطاقة ستستمر في الارتفاع. وبالتالي، ستحتاج هياكل توصيل الطاقة إلى عرض معلمات طفيلية أقل وأداء تردد عالي- متفوق.

 

يتمثل الاتجاه المستقبلي الرئيسي لتقنية قضبان التوصيل المصفحة في زيادة تقصير حلقات الطاقة والتكامل الأعمق للمكثفات وأجهزة الاستشعار والعناصر الوظيفية الأخرى مباشرة في مجموعة قضبان التوصيل. يتيح التصميم المشترك-جوانب الإدارة الهيكلية والكهربائية والحرارية زيادة إضافية في كثافة الطاقة لنظام تحويل الطاقة بالكامل.

 

وفي الوقت نفسه، سيعتمد تصنيع قضبان التوصيل بشكل متزايد على التصميم الرقمي والمحاكاة القائمة على التحقق من الصحة. تسمح تقنيات مثل المحاكاة الكهرومغناطيسية ثلاثية الأبعاد، والمحاكاة الحرارية، وتحليل العناصر المحدودة الميكانيكية (FEA) بالتنبؤ بمقاييس الأداء الرئيسية قبل إنشاء النماذج الأولية، وبالتالي تقليل التكاليف المرتبطة بتعديلات التصميم التكرارية.

 

من حيث نطاق التطبيق،أشرطة مغلفةستواصل التوسع في قطاعات مثل مركبات الطاقة الجديدة، وتخزين الطاقة، ومحركات التردد الصناعية المتغيرة، والنقل بالسكك الحديدية، ومراكز البيانات، وإمدادات الطاقة-العالية الطاقة. سوف يتحول عرض القيمة الأساسية الخاص بهم من اتصال التيار البسيط -العالي إلى المعلمات الطفيلية المنخفضة، والتكامل العالي، والموثوقية العالية، وحلول ربط الطاقة على مستوى النظام-. بشكل عام، على الرغم من أن أشرطة التوصيل المصفحة تعد مكونات ربط أساسية في أنظمة الطاقة الإلكترونية، إلا أن تصميمها الهيكلي يؤثر بشكل مباشر على أداء التحويل لأجهزة الطاقة، ونظام EMI، والإدارة الحرارية، والموثوقية التشغيلية على المدى الطويل-.

 

بالنسبة للمعدات ذات الطاقة- العالية، والتردد العالي-، والجهد العالي-، أصبح تصميم قضبان التوصيل نقطة تقاطع هامة بين الهندسة الكهربائية والهندسة الإنشائية. مع استمرار تطور الطاقة الجديدة والمعدات الإلكترونية{4}}المتطورة نحو كثافات طاقة أعلى، فإن تقنيات قضبان التوصيل التي تركز على الحث المنخفض والعزل الموثوق به للغاية والتوزيع الموحد للتيار والتكامل المعياري ستصبح مجالات رئيسية لتحسين أنظمة ربط الطاقة في المرحلة التالية من التطوير.