PV-및-저장 및 고전력 전력 전자 시스템의 적층 버스바: 낮은 부유 인덕턴스 및 신뢰성 설계 추세

태양광 발전, 에너지 저장 인버터, 전기 자동차 및 철도 운송과 같은 전력 전자 시스템-이 더 높은 전력 밀도와 더 높은 스위칭 주파수로 발전함에 따라 전력 장치의 스위칭 속도가 증가했습니다. 결과적으로 내부 기생 매개변수가 작동 성능에 미치는 영향이 점점 더 커지고 있습니다. 이러한 배경에서 적층 버스바는 전력 전송을 위한 단순한 커넥터에서 전력 루프 인덕턴스, 전압 오버슈트, 열 관리 및 전자기 호환성(EMC)에 영향을 미치는 중요한 구조 구성 요소로 발전했습니다.

 

기존 전력 변환기에서 버스바는 주로 DC 전력을 전송하고 다양한 전원 장치 간에 전기 연결을 제공하는 역할을 합니다. 그러나 시스템이 IGBT, SiC MOSFET 또는 GaN 장치와 같은 고속 전력 장치를 사용하는 경우 스위칭 과도 현상 중에 생성된 높은 di/dt 및 dv/dt는 전력 루프 내의 기생 매개변수의 영향을 증폭시킵니다. 버스바 구조가 제대로 설계되지 않은 경우 상당한 루프 부유 인덕턴스로 인해 스위칭 중에 전압 오버슈트와 고주파-주파수 진동이 발생할 수 있습니다. 이로 인해 장치의 전압 스트레스가 증가하고 시스템 EMI 제어에 대한 추가 요구 사항이 발생합니다.

 

따라서 고전력 변환 장비에서 버스바 선택은 더 이상 전류 전달 용량만을 기준으로 할 수 없습니다.- 전기 토폴로지, 루프 영역, 층간 절연, 열 전도성, 기계적 장착 및 고주파{2}}주파수 전류 분포와 같은 요소도 고려해야 합니다. 낮은-인덕턴스 구조는 특히 고속 스위칭 애플리케이션의 전력 상호 연결 설계에서 핵심 초점이 되었습니다.
 

 

 

적층 부스바는 일반적으로 특정 구성의 절연 유전층이 있는 두 개 이상의 전도성 금속판을 적층, 위치 지정 및 적층하여 형성됩니다. 일반적인 도체 재료에는 구리와 구리 합금이 포함되지만 무게, 비용, 전류 전달 요구 사항에 따라 알루미늄과 같은 재료가 사용될 수도 있습니다.- 층간 절연 재료는 유전 강도, 온도 저항, 기계적 안정성 및 장기-신뢰성과 관련된 엄격한 요구 사항을 충족해야 합니다.

 

기존 개별 구리 버스바와 비교하여 적층 구조의 주요 장점은 반대 극성 또는 서로 다른 전위의 전도성 경로를 근접하게 배치할 수 있다는 것입니다. 반대 방향으로 흐르는 전류가 인접한 도체를 통과할 때 각각의 자기장은 부분적으로 서로 상쇄되어 정류 루프의 유효 자기장 에너지와 기생 인덕턴스가 감소합니다.

 

고전력 변환기의 경우{0}}이 구조는 DC 버스와 전원 모듈 간의 전류 정류 경로를 최소화하는 데 특히 적합합니다.- 적절한 설계를 통해 버스바는 높은-전류 전송을 용이하게 할 뿐만 아니라 구조적 수준에서 높은-주파수 정류 루프의 영역을 줄여 고속 전력 장치에 대한 보다 안정적인 작동 조건을 생성합니다.-

 

부스바 레이어 수는 회로 토폴로지에 따라 다릅니다. 예를 들어, 2-레벨 변환기는 이중-층 구조(양극 및 음극)를 활용할 수 있는 반면, 다중-레벨 변환기는 중성점 또는 기타 전위 레벨과 같은 추가 레이어-를 필요로 하여{5}}3-층 적층 버스바와 같은 다중-층 구성이 될 수 있습니다. 레이어 수가 증가함에 따라 전기 절연, 기생 매개변수 결합 및 열 관리와 관련된 문제가 더욱 복잡해집니다. 결과적으로 특정 토폴로지에 맞는 전체적인 설계 접근 방식이 필요합니다.

 

 

 

전력 루프 내의 부유 인덕턴스는 주로 도체 자체, 연결 단자, 전력 모듈의 내부 구조 및 부스바의 공간 배열에서 발생합니다. 설계자가 의도적으로 이러한 인덕턴스를 도입하지는 않지만 고속 스위칭 작업 중에 상당한 동적 효과를 발휘합니다.-

 

기본적인 유도 원리를 기반으로 하면 전류 변화율이 높을 때 최소한의 기생 인덕턴스라도 상당한 과도 전압을 생성할 수 있습니다. 고속-스위칭 장치의 경우 과도하게 긴 정류 루프 또는 양극 전류 경로와 음극 전류 경로 간의 큰 분리로 인해 전압 오버슈트 및 고주파수 링잉이 발생할 가능성이 높아집니다.-

 

적층 부스바 설계의 주요 초점은 양극 전류 경로와 음극 전류 경로 사이의 거리를 최소화하고 전원 모듈과 DC 링크 커패시터 사이의 연결 거리를 줄이는 것입니다. 도체 간격을 최적화하면 정류 루프로 둘러싸인 영역이 줄어들어 자기장 커플링 및 루프 기생 인덕턴스를 더 쉽게 제어할 수 있습니다.

 

따라서 고전력 변환기용 적층 버스바를 설계할 때-엔지니어는 버스바 크기에만 초점을 맞추기보다는 전체 정류 루프를 고려해야 합니다. 커패시터, 전원 모듈, 연결 단자 및 버스바의 상대적 위치는 모두 최종 루프 매개변수에 영향을 미칩니다.

 

 

인덕턴스가 낮다고 해서 열 설계가 필요하지 않은 것은 아닙니다. 시스템 전력이 증가하면 버스바의 연속 전류 부하도 증가합니다. 동시에 고속-스위칭은 고주파-전류 분포를 피부 및 근접 효과에 영향을 미칩니다.

 

더 높은 주파수에서는 전류가 도체 단면 전체에 균일하게 분포되지 않고-특정 표면 영역에 집중되는 경향이 있습니다. 부스바의 폭, 두께, 층간 간격 등을 최적으로 설계하지 않을 경우 국부적인 전류밀도 증가, 집중적인 온도 상승 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

 

따라서 버스바 단면적을 설계하려면{0}}전류 전달 용량, AC 손실, 기계적 강도 및 열 방출 조건의 균형을 맞춰야 합니다.- 고{3}}전력 에너지 저장 컨버터의 경우 DC 전류{4}}운반 용량을 계산하는 것 외에도 실제 작동 주파수에서 AC 저항 변화를 고려하고 온도 상승 테스트를 통해 설계를 검증하는 것이 필수적입니다.

 

적층 구조는 전류 루프 면적을 줄일 수 있는 반면, 다-층 절연 구조는 도체에서 외부로의 열 방출 경로를 변경할 수 있습니다. 따라서 설계 과정에서 구리층 두께, 절연재, 실장 방법, 외부 냉각 조건 등의 요소를 고려해야 합니다. 장비가 자연 냉각, 강제-공기 냉각 또는 액체 냉각을 활용하는지 여부에 따라 부스바 구조에 다양한 열 설계 전략이 필요할 수 있습니다.

 

 

실제 시스템에서 기생 인덕턴스는 버스바 본체에만 국한되지 않습니다. 버스바와 전원 모듈, 커패시터 및 기타 전기 부품과 같은 구성 요소 사이의 연결 영역에서도 상당한 기생 매개변수가 발생할 수 있습니다.

 

연결 볼트, 단자 전환, 국부적인 굴곡, 도체 단면적의 급격한 변화-는 모두 전류 경로를 변경할 수 있습니다. 연결 지점이 전원 장치에서 멀리 떨어져 있는 경우, 메인 버스바가 낮은-인덕턴스 적층 구조를 사용하더라도 전체 정류 루프는 여전히 상당한 기생 인덕턴스를 나타낼 수 있습니다.

 

따라서 엔지니어링 설계에서는 불필요한 전환 구조를 최소화하고 고주파 전류 경로의 연속성을 보장해야 합니다.- 다중 지점 연결이 필요한 시스템의 경우 병렬 분기 간의 기하학적 대칭을 최대한 유지하여 분기 전체에서 유사한 전기 경로 및 임피던스 특성을 보장해야 합니다.

 

유사한 설계 원칙이 전기 자동차용 적층 부스바 및 고전압 전기 구동 시스템과 같은 영역에 적용됩니다.{0}} 전기 구동 시스템이 더 높은 전압과 전력 밀도로 발전함에 따라 버스바는 고전류 전송 요구 사항을 충족해야 할 뿐만 아니라 제한된 설치 공간과 복잡한 기계 구조에도 적응해야 합니다.

 

 

실제 산업 장비에서 버스바는 일반 개방형 설치 공간에 거의 위치하지 않습니다. 전원 모듈, 커패시터, 방열판, 제어 보드 및 구조적 구성 요소로 인해 부과되는 엄격한 공간 제약으로 인해 굴곡, 컷아웃, 분기 및 다중-레이어 연결이 포함된 버스바 구성이 필요한 경우가 많습니다. 복잡한 설치에 사용되는 적층 버스바의 경우 설계 초점은 도체 치수를 넘어 레이어 간 정렬 정밀도, 절연 경계 및 장착 인터페이스의 일관성을 포함하도록 확장됩니다.

 

부스바의 구멍과 컷아웃은 로컬 전류 경로를 변경합니다. 이러한 기능이 1차 정류 영역 근처에 위치하면 전류가 강제로 해당 영역 주위로 전환되어 로컬 전류 밀도 및 기생 매개변수에 영향을 미칠 수 있습니다. 결과적으로 기계적 장착 요구 사항이 전기적 성능에 부정적인 영향을 미치지 않도록 구조 설계 단계에서 개구부의 위치, 크기 및 가장자리 처리를 평가해야 합니다.

 

고전압 시스템에서는 도체 가장자리와 절연 인터페이스의 전계 집중도 해결해야 합니다. 반경, 모따기 및 절연 캡슐화를 적절하게 사용하면 국부적인 전기장 강화를 완화하고 장기간 작동 중에 절연 실패 위험을 줄일 수 있습니다-.

 

 

DC 버스 전압이 수백 볼트 이상의 수준에 도달하면 버스바 설계는 단순한 전류 전송을 뛰어넘습니다. 또한 공간거리, 연면거리, 절연 강도 및 장기-절연 신뢰성도 고려해야 합니다.

 

고전압 인버터에서{0}}도체 층 사이의 절연 재료는 연속 작동 전압과 과도 스위칭으로 인해 발생하는 반복적인 전압 스트레스를 모두 견뎌야 합니다. 고전압, 방폭-인버터 버스바-와 같은 특수 장비-의 경우 구조 설계도 장비 IP(침투 방지) 등급, 환경 조건 및 안전 표준에 부합해야 합니다.

 

절연재 선택 시에는 장기 작동 온도,-절연 강도, 기계적 강도, 내습성 및 노화 특성을 고려해야 합니다. 고주파-, 고속- 스위칭 시스템의 경우 반복적인 dv/dt 응력 하에서 재료의 장기적인- 안정성도 중요한 고려 사항입니다.

 

동시에 단순히 단열재 두께를 최대화하는 것은 최적의 접근 방식이 아닙니다. 지나치게 두꺼운 절연체는 도체 사이의 간격을 증가시켜 정류 루프 영역을 확대하고 잠재적으로 기생 인덕턴스를 증가시킵니다. 따라서 실제 설계에서는 절연 안전 마진과 인덕턴스 최소화 목표 간의 합리적인 균형을 유지해야 합니다.

 

 

 

중{0}} 및 고압-전력 변환 장비가 발전함에 따라 에너지 저장 변환기, 산업용 가변-주파수 드라이브(VFD) 및 고전압 전력 전자 시스템에 다단계 토폴로지가 점점 더 많이 채택되고 있습니다. 3-레벨 구조를 사용하면 구성 요소의 전압 스트레스를 여러 잠재적 레벨에 분산시킬 수 있지만 버스바 구조가 더욱 복잡해집니다. 3-레벨 인버터용 적층 버스바를 설계할 때 버스바는 일반적으로 양극, 중성 및 음극 단자와 관련된 전기 연결을 동시에 관리해야 합니다. 현재 정류 경로는 작동 상태에 따라 바뀔 수 있으므로 버스바 설계는 단일 상태에만 최적화될 수 없습니다. 대신 모든 기본 스위칭 상태에 걸쳐 정류 루프를 수용해야 합니다.

 

또한 설계 노력은 전원 분기 전체에 걸쳐 기하학적 대칭을 유지하는 데 우선순위를 둡니다. 병렬 분기 간 경로 길이의 상당한 차이로 인해 동적 전류 분포가 고르지 않게 되어 특정 구성 요소가 더 높은 전류 부하와 열 응력을 견딜 수 있게 됩니다.

 

이것이 다층 복합 부스바가 고전력 장비에서 매우 중요한 이유입니다.- 여러 도체 레이어를 절연 재료와 결합함으로써 이러한 버스바는 제한된 설치 공간 내에서 여러 전압 전위 및 분기를 포함하는 컴팩트한 연결을 가능하게 하는 동시에 인덕턴스 제어 및 기계적 레이아웃과 관련하여 더 큰 설계 유연성을 제공합니다.

 

 

적층 버스바의 적용은 기존 산업용 전원 공급 장치를 넘어 에너지 저장, 자동차, 통신, 컴퓨팅, 철도 운송 및 고급 산업용 기계와 같은 분야로 확장되었습니다.{0}}

 

가변 주파수 드라이브(VFD) 및 모터 제어 시스템에서 낮은-인덕턴스 버스바는 전력 부품과 DC-링크 커패시터 사이의 고주파수 정류 경로를 단축합니다. 결과적으로 적층 버스바는 VFD 아키텍처의 표준 선택입니다. 고전력-모터 컨트롤러의 경우 설계에서는 고전류 전달 용량, 열 순환 및 기계적 진동도 고려해야 합니다.-

 

데이터 센터와 고성능 컴퓨팅 시스템은 높은 전력 밀도와 작은 설치 공간을 요구하는 경우가 많습니다. 버스바는 서버 전원 공급 장치, 백플레인 및 배전 네트워크를 제공하기 위해 캐비닛 내에서 다{2}층 구성으로 배열될 수 있습니다. 이러한 환경에서 슈퍼컴퓨터 회로 기판 또는 백플레인용 적층 버스바는 공간 제약과 높은 전류 밀도, 신호 시스템과 전력 시스템 간의 전자파 적합성(EMC) 요구 사항 사이의 균형을 유지해야 합니다.

 

통신 인프라도 비슷한 요구 사항을 제시합니다. 기지국, 라우터 및 통신 전력 장비는 제한된 구조적 공간 내에서 여러 전력 모듈의 상호 연결이 필요한 경우가 많으므로 모듈식 설치와 낮은{1}}임피던스 전력 공급을 용이하게 하는 버스바 설계가 필요합니다. 이러한 장비에서는 셀룰러 기지국 전력 분배용으로 설계된 적층 버스바를 사용하여 컴팩트한 전력 분배 경로를 생성합니다. 서버 및 통신 장비의 경우 전력 분배 장치(PDU) 버스바는 일반적으로 여러 부하 분기에 대한 중앙 집중식 전력 분배 지점 역할을 합니다. 구조 설계에서는 전류 전달 용량, 온도 상승, 절연 및 유지 관리 용이성을 우선시해야 합니다.

 

 

신에너지 차량(NEV)은 고전력 DC 상호 연결 구조의 핵심 애플리케이션 영역을 나타냅니다. 전기 구동 시스템의 전압 수준이 상승하고 전력 밀도가 증가함에 따라 기존 배선 하니스 및 분산 연결 방법은 공간, 전류 전달 용량 및 열 관리와 관련된 제한에 직면해 있습니다.

 

NEV의 버스바는 일반적으로 배터리 시스템, 인버터, 모터 컨트롤러 및 기타 고전압 구성요소를 연결합니다.{0}} 결과적으로 구조 설계는 전류 전달 용량, 전기 절연, 진동 내구성 및 공간 레이아웃을 동시에 해결해야 합니다.-

 

에너지 저장 시스템은 장기적인 운영 안정성에 더 중점을 두고 있습니다.- 대규모-에너지 저장 변환기는 고전압과 고전류를 처리하는 경우가 많으며 버스바 구조는 전원 모듈, 커패시터 및 기타 전기 장치 간의 연결 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 잘 설계된 적층 구조는-제한된 공간 내에서 전력 루프를 단축하고 장비의 모듈식 설치를 용이하게 합니다.

 

고주파수 스위칭 전원 공급 장치 및 고전력 변환 장비의 경우, 낮은-인덕턴스 설계는 스위칭 과도 상태로 인해 발생하는 전압 오버슈트 및 고주파수 발진을 완화하는 데 도움이 되며, 이를 통해 전력 장치의 안정적인 작동을 위해 보다 제어된 전기 환경을 조성합니다.

 

 

 

철도 운송 견인 시스템은 높은 출력, 장기간 작동 및 복잡한 기계 환경이 특징입니다. 전력 상호 연결 구조는 고전류는 물론 지속적인 기계적 진동과 열 순환을 견뎌야 합니다.

 

이러한 시스템에서 적층 버스바는 견인 변환기 및 보조 전원 공급 장치와 같은 장비 내의 내부 전원 연결에 사용됩니다. 이러한 버스바는 전기 성능 요구 사항을 충족하는 것 외에도 장비 공간 제약, 기계적 장착, 절연 안전 및 장기적인 작동 환경을 고려해야 합니다.-

 

마찬가지로 트랙션 및 산업용 컨버터 장비의 버스바 구조는 전력 모듈, 커패시터 및 방열 부품의 위치를 ​​기준으로 맞춤화되는 경우가 많습니다. 공간이 제한된 장비의 경우-다층 구조는 전원 연결 통합을 강화하고 기존 케이블 연결과 관련된 공간을 줄입니다. 낮은-인덕턴스 설계는 단일 매개변수의 최적화에서 전체적인 시스템-레벨 시너지 효과로 전환되고 있습니다.

 

더 높은 스위칭 속도와 작동 주파수를 가능하게 하는 SiC 및 GaN-과 같은 넓은-밴드갭 전력 장치의 채택이 증가함에 따라 버스바 설계는 기존의 '전류{3}}전달 단면 설계'에서 전기, 열, 기계 및 절연 고려사항을 통합하는 시너지 접근 방식으로 발전하고 있습니다.

 

미래의 버스바 설계는 기생 인덕턴스를 최소화할 뿐만 아니라 AC 손실, 온도 상승, 전기장 분포 및 기계적 스트레스도 관리해야 합니다. 특히 고주파수 시스템에서 버스바는 전력 루프의 필수적인 부분으로 기능하며 버스바의 기하학적 구조는 시스템의 동적 전기 동작에 직접적인 영향을 미칩니다.

 

동시에 버스바 제조 기술은 내장형 커패시터, 통합 센서, 복잡한 3D 도체 구조 및 정밀 절연 성형 기술과 같은 기능을 통합하여 더 높은 수준의 통합을 향해 발전하고 있습니다. 이러한 기술은 전력 루프를 단축하고 공간 활용도를 높이는 동시에 장비 상태 모니터링을 위한 구조적 기반을 제공합니다.

 

엔지니어링 관점에서 볼 때, 디자인은적층형 저-인덕턴스 버스바단순히 가능한 가장 낮은 인덕턴스 값을 달성하는 것이 아닙니다. 오히려 전력 장치, 작동 전압, 스위칭 주파수, 열 관리 및 절연 요구 사항과 같은 요소를 기반으로 적절한 목표 범위를 결정해야 합니다. 전체 전력 루프와 버스바를 공동 설계해야만-고전력 전력 전자 시스템에서 적층 구조의 잠재력을 최대한 실현할 수 있습니다.-

 

전반적으로 적층 부스바는 단순한 고전류 커넥터에서 고전력 전력 전자 장비 내의 중요한 구조 구성요소로 발전했습니다.- 그 가치는 주로 낮은 부유 인덕턴스, 컴팩트한 전원 연결, 제어 가능한 전류 경로, 고{3}}전압 절연 설계와 같은 기능에 있습니다. 이러한 구성 요소를 조달할 때 엔지니어는 시스템 전압, 전류, 스위칭 주파수, 설치 공간, 절연 요구 사항 및 대량 생산 공정을 고려하여 재료, 구조 설계 및 맞춤형 제조 능력을 종합적으로 평가해야 합니다.