Düşük Endüktanslı Güç Sistemleri için Laminasyonlu Bara Tasarımı ve Üretimi

Laminasyonlu bara, akım döngüsünü kontrol ettiğinde faydalıdır. Dielektrik filmle ayrılmış bakır plakalar kompakt görünebilir, ancak pozitif ve negatif iletkenler terminallerde ayrılırsa, kondansatöre uzun yollar izlerse veya bir güç modülünün çevresinde büyük bir döngü oluşturursa anahtarlama yolu yine de aşırı kaçak endüktansa sahip olabilir.

Bu nedenle tasarım, baranın dış hatlarıyla değil, elektrik ağı ve komponent arayüzleriyle başlar. Üretim kararları — bakır kalınlığı, kenar işleme, terminal işleme, katman rejistrasyonu, yapıştırıcı, basınç ve kürleme — daha sonra amaçlanan geometriyi korumalıdır.

Konturu çizmeden önce komütasyon döngüsünü tanımlayın

Yüksek di/dt yolunu DC-link kondansatörü, anahtarlama elemanları ve dönüş iletkeni üzerinden haritalayın. Hangi bölümün düşük endüktansa sahip olması gerektiğini ve hangi bağlantıların bu kritik döngünün dışında kaldığını belirleyin. Ayrıca gerilimi, akım dalga formunu, anahtarlama hızını, izin verilen aşırı gerilimi (overshoot), termal limitleri, komponent toleranslarını ve mekanik yasak bölgeleri kaydedin.

Bu, iki yaygın hatayı önler. Birincisi, uzun terminal çıkıntılarını yok sayarak düz merkez bölgesini optimize etmektir. İkincisi, frekans aralığını, ölçüm yöntemini veya dâhil edilen montaj bölümünü belirtmeden genel bir endüktans hedefi kullanmaktır.

Oak Ridge National Laboratory’nin 135 kW SiC EV invertöründe komütasyon döngüsü endüktansı üzerine çalışması gibi araştırmalar, tahmin, minimizasyon ve doğrulamanın neden birbirine bağlı olması gerektiğini gösterir. Geometrisi ve sonuçları o invertöre aittir; aktarılabilir ders evrensel bir sayı değil, yöntemin kendisidir.

Döngü alanını kontrol etmek için örtüşme ve katman aralığı kullanın

Gidiş ve dönüş akımları birbirine yakın, örtüşen iletkenlerde aktığında, manyetik alanları kısmen birbirini dengeler ve kapalı döngü alanı küçülür. Yararlı örtüşmeyi artırmak ve ayrımı azaltmak bu nedenle kaçak endüktansı düşürebilir. Pratik sınırları dielektrik gereksinimler, üretim kalınlığı, termal davranış, terminaller ve mekanik dayanıklılık belirler.

Laminasyonlu bara tasarımına ilişkin 2024 incelemesi tasarım yaklaşımlarının yararlı bir haritasıdır, ancak alıntılanan her sonuç kendi topolojisini, frekansını, malzemelerini ve test koşullarını korur.

Bakır, dielektrik, yapıştırıcı ve kenar işlemeyi bir katman yığını olarak seçin

Katman yığını bağlaşık bir sistemdir. Bakır kalınlığı direnci, ısı yayılımını, rijitliği, delme davranışını ve dielektrik katmanlar için kullanılabilir alanı etkiler. Dielektrik malzeme elektriksel dayanım, sıcaklık kapasitesi, kalınlık toleransı, esneklik, yapışma ve çevresel yaşlanma katkısı sağlar. Bağlama süreci, bu özelliklerin laminasyondan sonra korunup korunmayacağını belirler.

Kenar tasarımı özellikle önemlidir çünkü iletkenler normalde her yerde aynı şekillerde sonlanmaz. Yalıtım geri çekilmesi, sızdırmaz kenarlar, yerel takviyeler, kalıplanmış özellikler ve montaj delikleri yoğunlaşmış elektriksel veya mekanik zorlanma yaratabilir. Montaj resmi; açıkta kalan bakırı, dielektrik uzantısını, minimum kenar geometrisini ve temas için boş kalması gereken alanları tanımlamalıdır.

Malzeme adları yeterli değildir. Tedarikçi sınıfını, kalınlığı, durumu, depolama limitlerini ve kalifiye edilmiş süreci belirtin. Ürün ve katman yapısı olmadan «poliimid» veya «epoksi» tanımı, üretim ekibinin prototipi yeniden üretmesini imkânsız bırakır.

Terminalleri düşük endüktans tasarımının parçası olarak ele alın

Kondansatör ve yarı iletken terminalleri, iyi olan bir yerleşime çoğu zaman hâkim olur. Geniş ve örtüşen iki plaka, elemandan hemen önce dar çıkıntılara ayrılarak akım yığılması ve daha büyük bir yerel döngü oluşturabilir. Bağlantı elemanlarına erişim de gereksiz yol uzunluğunu zorlayabilir.

Her arayüzde aşağıdakileri gözden geçirin:

• pozitif ve negatif terminal aralığı ve örtüşmesi;
• cıvata, pim, kaynak veya pres geçme bağlantı yöntemi;
• komponent datumuna göre delik ve yuva toleransları;
• temas yüzeyi düzlüğü ve yüzey kalitesi;
• paralel terminaller arasında akım paylaşımı;
• montaj sırası ve takım erişimi;
• bara, kondansatör, modül ve mahfaza arasındaki tolerans zinciri;
• seramik veya plastik komponent gövdelerine aktarılan zorlanma.

Yüksek güçlü bir SiC çekiş invertörü için entegre bara tasarımı üzerine SAE çalışması ilgili bir uygulama kanıtıdır, ancak sonuçları o invertörün mimarisine bağlı kalmalıdır.

Bakır üretimi ve laminasyon için tasarlayın

Her bakır katmanı, kararlı bir datum ve delme, profilleme, şekillendirme, çapak alma, temizleme ve yüzey işleme için bir süreç rotası gerektirir. Bir CNC delme ve kesme istasyonu katman profilleri ve terminal özellikleri üretebilir, ancak komple laminasyon sürecini gerçekleştirmez.

Bakır üretiminden sonra üretim şunları kontrol etmelidir:

1. çapak yönü ve kenar durumu;
2. bağlama öncesi temizlik;
3. dielektrik kesim şekli ve rejistrasyonu;
4. yapıştırıcı veya bağlayıcı film durumu;
5. katman hizalaması ve takım datumları;
6. kalifiye sürece göre laminasyon basıncı, sıcaklığı ve süresi;
7. çarpılmadan kürleme veya soğutma;
8. budama, sızdırmazlık ve terminal açıklığı;
9. son ölçüler ve elektriksel testler.

Bakır tedarikçisi, dielektrik lotu, yapıştırıcı, kürleme çevrimi veya takım datumundaki bir değişiklik hem uyumu hem de elektriksel davranışı etkileyebilir. Bu nedenle prototip verileri kontrollü bir malzeme listesine ve süreç revizyonuna bağlanmalıdır.

Elektriksel, termal, dielektrik ve mekanik performansı doğrulayın

Tek bir test tasarımı kanıtlamaz. Endüktans veya anahtarlama davranışı, uygulamaya uygun bir düzenek ve bant genişliğiyle ölçülmelidir. Termal doğrulama; iletken kaybını, bağlantı kaybını, yakındaki ısı kaynaklarını, hava akışını ve gerçek görev çevrimini içermelidir. Dielektrik doğrulama; gerilim zorlanmasını, kenar yapısını, ortamı ve geçerli standardı yansıtmalıdır. Mekanik muayene katman rejistrasyonunu, çarpılmayı, terminal düzlemini, montaj uyumunu ve kenar bütünlüğünü kapsar.

Güç elektroniği anahtarlaması için daha düşük sayıyı üreteni seçmek yerine model ile ölçümü karşılaştırın. Beklenmeyen bir uyuşmazlık; atlanan terminal endüktansını, düzenek etkilerini, malzeme varsayımlarını veya model dışındaki akım yollarını ortaya çıkarabilir.

Prototip serbest bırakılmadan önce bir DFM incelemesi tamamlayın

Ortaya çıkan komponent; 800 V EV güç elektroniğine, şebeke ölçekli BESS’e ve gelişmekte olan 800 VDC veri merkezi mimarilerine hizmet edebilir. Bu uygulamalar kopyalanmış bir bara geometrisini değil, ortak bir DFM disiplinini paylaşmalıdır.