太陽光-プラス-蓄電車および新エネルギー車用の電力システムにおける積層バスバー技術の開発と応用

太陽光発電、エネルギー貯蔵システム、新エネルギー自動車、高出力パワー エレクトロニクスの急速な発展に伴い、電力コンバータはより高い電力密度、より高いスイッチング周波数、より高い信頼性を目指して進化しています。{0}パワー半導体デバイスの性能は向上し続けていますが、導体レイアウト、相互接続構造、デバイスのパッケージングから生じる寄生パラメータは、システム全体の性能に影響を与える重要な要素となってきています。

 

電力回路内の重要な相互接続構造として、積層バスバーの役割は単純な電力伝送を超えて、寄生パラメータ制御、熱管理、および電磁適合性 (EMC) 設計を含むように拡大されています。特に高周波スイッチング条件下では、バスバー構造は、パワーデバイスのスイッチング中の整流ループの浮遊インダクタンスと電圧オーバーシュートに直接影響します。その結果、太陽光発電は、新エネルギー車用の太陽光発電-プラス-蓄電システムおよび電気駆動システムの構造設計において重要なコンポーネントとなっています。

 

 

 

従来の低周波電力システムでは、バスバーは主に大電流の伝送を処理し、定格電流、温度上昇、絶縁クリアランス、機械的強度に重点を置いたエンジニアリング設計が行われます。-しかし、高速スイッチングが可能な{{3}IGBT や SiC MOSFET などのパワー半導体デバイス-の採用により、電流と電圧の変化率が大幅に高くなりました。-その結果、導体自体に固有の寄生インダクタンスがスイッチング プロセスにさらに顕著な影響を及ぼします。

 

電源回路に大きな浮遊インダクタンスが存在する場合、電流の急速な変化によってインダクタンスの両端に過渡電圧が発生します。電圧オーバーシュートは、パワーデバイスへの電圧ストレスを増加させ、高周波発振や電磁干渉を引き起こす可能性があります。-したがって、整流ループの浮遊インダクタンスを低減することは、高電力コンバータの安定性を高めるための重要な設計目標です。-

 

構造上、従来の単層銅バーやケーブル接続では長い電流経路が必要になることが多く、正端子と負端子の間に十分な間隔が維持されるため、大きなループ領域が生じます。{0}対照的に、積層構造はプラスとマイナスの導体間の距離を最小限に抑え、反対方向に流れる電流経路を近づけます。これにより磁界キャンセル効果が高まり、電源回路全体の等価浮遊インダクタンスが低減されます。

 

現在、積層バスバーは、高出力コンバータ、インバータ、エネルギー貯蔵電力変換システム（PCS）、モータ コントローラ、新エネルギー車の電気駆動システムなどで広く利用されています。{0}高電力コンバータでは、積層バスバーがコンパクトな層状構造を利用して電力ループを短縮し、それによって高速スイッチング デバイスにより制御可能な電気接続環境を提供します。-

 

 

積層バスバーは通常、複数の導電性金属層と絶縁性誘電体層で構成されます。導電層は、電流、電圧、機械構造のシステム要件に応じて、銅やアルミニウムなどの材料でできています。絶縁層は層間の電気的絶縁を提供すると同時に、耐熱性、耐電圧性、機械的信頼性を確保します。

 

その低インダクタンス特性は、主に正導体と負導体間の緊密な結合に起因します。-逆方向に流れる電流が 2 つの導体層を通過すると、結果として生じる磁界も逆方向になります。 2 つの電流経路間の距離が最小限であるため、磁束の大部分が周囲の空間で相殺され、それによって整流ループ内に蓄積される磁界エネルギーが減少します。

 

したがって、導体間隔、実効ループ長、導体幅、電流経路レイアウトなどのパラメータは、積層バスバーの設計において重要な要素となります。一般に、ループ長を短縮し、正負の導体間の有効間隔を最小限に抑え、導体幅を最適化すると、寄生インダクタンスを下げることができます。

 

この構造上の利点により、積層バスバーは標準的な電力伝送だけでなく、高い動的応答を必要とするパワー エレクトロニクス システムにも適しています。たとえば、低インダクタンスの積層バスバーは、多くの場合、デバイスのスイッチング時の電圧オーバーシュートを軽減するために低インダクタンス設計を使用し、高速スイッチング回路用に構造的に最適化されています。{{2}

 

 

 

太陽光発電 (PV) インバータおよびエネルギー貯蔵コンバータは、通常、DC 側、電力スイッチング モジュール、フィルタリング ユニット、AC 出力側を含む複数の電力回路で構成されます。システムの定格電力が増加するにつれて、従来の配線およびディスクリート銅バスバー接続は、過剰なスペース要件、長い回路経路、複雑な電磁結合などの課題に直面しています。

 

エネルギー貯蔵システムでは、バッテリークラスターからの DC 電力出力には、グリッド統合、負荷供給、または再充電のための電力変換が必要です。 DC リンク内の急速な高電流変動により、バスバー構造に厳しい要求が課せられます。-パワーモジュールと DC リンク コンデンサ間の距離が長すぎると、転流ループ面積が増加し、浮遊インダクタンスが増加する可能性があります。

 

そのため、最新のエネルギー貯蔵パワー コンバータでは、高周波電流経路を最小限に抑え、積層導体を介して正端子と負端子の間の緊密な結合を実現するために、DC コンデンサ、パワー モジュール、バスバーの調整されたレイアウトが採用されることがよくあります。{0}高電流容量と効率的なスペース利用のバランスが必要な機器には、積層バスバーがコンパクトな多層相互接続ソリューションを提供します。-

 

高電圧エネルギー貯蔵や特殊な産業用電力システムでは、バスバーの設計では、絶縁クリアランス、電界分布、機械的取り付け、異常な動作条件下での安全性も考慮する必要があります。{0}したがって、設計は「低インダクタンス」だけに焦点を当てることはできません。その代わりに、電気的、絶縁的、熱的、機械的性能特性の間で合理的なバランスを取る必要があります。
 

 

 

新エネルギー車の電気駆動システムは通常、限られたスペース内でバッテリー、コンデンサ、インバーター、モーター コントローラー間の高電力相互接続を必要とします。{0}車両プラットフォームの電圧がより高いレベルに移行するにつれて、電源回路には低インダクタンス、低損失、および高集積化がますます求められています。

 

電気駆動インバータ内では、バスバーは、パワー モジュール、DC リンク コンデンサ、および制御システムとの適切な空間関係を維持しながら、重大な過渡電流を処理する必要があります。電気自動車用の積層バスバーは、多層構造を利用して電流経路を短縮し、コンパクトなレイアウトを採用して電力相互接続システムのスペース効率を最大化します。{1}

 

さらに、新エネルギー車のバスバーは、振動、熱サイクル、機械的衝撃、持続的な電流負荷などの厳しい環境条件に耐える必要があります。単純な配線方法と比較して、構造化バスバーは、取り付け位置、絶縁クリアランス、および接続インターフェイスの標準化された設計を容易にします。

 

さまざまな電圧レベルや機能回路に対して、{0}正極端子、負極端子、DC リンク、AC 出力、制御インターフェースごとに分類された階層化設計-を実装して、電気相互接続システムのモジュール性を強化できます。適切に設計されたバスバー構造により、不必要な接続ポイントが削減され、複雑なワイヤリング ハーネスが消費する組み立てスペースが最小限に抑えられます。-

 

 

高電圧パワー エレクトロニクスの進歩により、エネルギー貯蔵、モーター ドライブ、産業用電力システムでマルチレベル インバータがますます利用されています。{0}{1}従来の 2{3}} レベルのトポロジと比較して、3- レベルのシステムは、より複雑な電源回路と複数の電位レベルを備えています。したがって、バスバーは、複数の電気ノードにわたる相互接続と絶縁の両方の要件を管理する必要があります。

 

3 - レベル インバータの積層バスバーの場合、通常、異なる電位の電力経路間の適切な空間関係を維持するために、特定のトポロジに従って複数の導電層を構成する必要があります。設計プロセスでは、各導体層の電流容量だけでなく、層間の寄生インダクタンスと相互インダクタンスの関係も考慮する必要があります。{2}

 

構造の対称性も多層バスバーにとって重要です。経路長、導体断面積、並列分岐間の接続点に大きな差異があると、パワー モジュール全体で不均一な動的電流分布が発生する可能性があります。長期にわたる運用では、この不均衡は局所的な温度上昇やコンポーネントの応力の変動として現れることがあります。-

 

したがって、多層バスバーの設計には、2D の機械的寸法のみに依存するのではなく、回路トポロジー、3D 空間レイアウト、電磁シミュレーションを統合した包括的な解析が必要です。

 

 

積層バスバー内の絶縁材は、層を絶縁する役割を果たすだけでなく、全体の構造寸法、耐電圧性能、熱性能、長期信頼性にも影響します。-高電圧システムでは、絶縁設計で動作電圧、過渡過電圧、沿面距離、空間距離、温度、環境条件を考慮する必要があります。

 

導体層間の距離を短くすると、浮遊インダクタンスを下げることができますが、同時に絶縁設計に対する要求が高くなります。したがって、層間の間隔は、単に絶縁厚さを最小限に抑えるのではなく、動作電圧と材料特性に基づいて最適化する必要があります。

 

高電圧または過酷な環境を伴う用途の場合、高電圧防爆インバータ バスバーは、異常な短絡、部分放電、熱膨張、機械的衝撃などの潜在的なリスクにも対処する必要があります。{0}{1}絶縁耐力、温度定格、長期安定性などの主要な絶縁特性-は、適切な試験を通じて検証する必要があります。-

 

さらに、導体のエッジ、ボルト穴、接続端子、層間移行部などの領域は電界が集中しやすいため、電界が集中しやすくなります。局所的な電界強度を軽減するには、丸み付け、面取り、絶縁ラッピング、構造の最適化などの対策が必要です。

 

 

積層バスバーは優れた空間統合を提供しますが、その多層構造により熱伝達経路が変化します。大電流での長期間の動作中、銅バスバーはジュール熱を発生しますが、絶縁層はさまざまな導体層間の熱伝導に影響を与えます。

 

したがって、バスバーの設計には、導体の厚さ、電流密度、周囲温度、放熱方法、隣接する電源コンポーネントの熱分布などの要素を総合的に評価する必要があります。高出力機器の場合、さまざまなゾーンにわたる温度分布を検証するには、熱シミュレーションまたは実際の温度上昇テストが不可欠です。-

 

局所的な電流密度が過剰になると、重大なホットスポットが発生する可能性があります。したがって、導体の幅と接続ポイントを最適化して均一な電流分布を確保し、ボルト接続、端子の曲がり、カットアウトのある領域での大幅な電流の集中を防ぐ必要があります。

 

 

パワー エレクトロニクス機器の統合レベルが高まるにつれて、完全に標準化されたバスバー寸法に依存することがますます困難になってきています。電源モジュール、DC コンデンサ、設置スペース、インターフェイスの位置に関しては、機器ごとに大きなばらつきがあります。したがって、バスバーは通常、特定の回路トポロジーと機械的制約に適合するように設計されています。

 

カスタマイズされたデザインは、単に長さや幅を調整するだけではありません。これには、導体層の数、銅の厚さ、絶縁材料、端子の種類、取り付け穴の位置、曲げ構成などの複数の側面が含まれます。 「IGBT 用カスタマイズ積層バスバー」は、構造が特定のパワー モジュール インターフェイスおよびシステム レイアウトに適合するように調整される典型的な設計アプローチを表しています。

 

実際のエンジニアリングでは、カスタマイズされたバスバーの開発には通常、電気回路図の検証、3D 構造設計、電磁シミュレーション、熱解析、プロトタイプの製造、およびテスト/検証といういくつかの段階が含まれます。このプロセスにより、大量生産の前に、-物理的干渉、過度の温度上昇、インダクタンスの問題、絶縁不良などの潜在的な問題-を早期に検出できます。

 

 

新エネルギーや産業用コンバータの分野を超えて、積層バスバーは通信電源、サーバー、データセンター、高密度電力システムでの採用が増えています。{0}}コンピューティング機器の電力密度が上昇するにつれて、従来のケーブル配線と分散接続方法は、スペース利用と電流分配効率に関して増大する課題に直面しています。

 

高密度電力アーキテクチャでは、多層複合接続バーにより、複数の潜在的な層をコンパクトな構造に統合でき、システム トポロジに応じたさまざまなノードにわたる集中的な電力分配が容易になります。-データセンターと通信機器は通常、継続的な運用のために高い信頼性を要求します。したがって、バスバーの設計では、電流容量だけでなく、温度上昇、絶縁、メンテナンス クリアランス、機械的信頼性にも対処する必要があります。-コンパクトなラミネート接続構成により、複雑なケーブル配線が最小限に抑えられ、機器キャビネット内の電源接続の構成が改善されます。

 

 

鉄道輸送システムは、高電力要件、高い信頼性の必要性、および複雑な動作環境を特徴としています。トラクションコンバータ内の動力コンポーネントは、頻繁な始動-サイクルと変動する負荷を伴う条件下で動作する必要があります。したがって、電源接続構造は、低インダクタンス、高電流容量、および機械的信頼性の要件を同時に満たさなければなりません。

 

ラミネートバスバーは、鉄道輸送電力変換装置のコンパクトな電力接続に適しています。最適化されたレイアウトにより、電力ループが短縮され、従来のケーブル接続に伴うスペース占有面積が削減されます。

 

産業用可変周波数ドライブ（VFD）、モーター コントローラー、無停電電源装置（UPS）などの機器では、バスバーにより DC{0}} 側の電力伝送とスイッチング コンポーネントの相互接続が容易になります。機器の電力密度が増加するにつれて、バスバーは単純な導電性コンポーネントから、システム全体の電気的、熱的、機械的設計に不可欠な機能的な構造要素に進化しています。

 

 

 

SiC や GaN などのワイド-バンドギャップ半導体--の採用が広がるにつれ、パワー デバイスのスイッチング速度と動作周波数は上昇し続けるでしょう。したがって、電源接続構造は、より低い寄生パラメータと優れた高周波性能を示す必要があります。-

 

積層バスバー技術の今後の重要な方向性は、電力ループをさらに短縮し、コンデンサ、センサー、その他の機能要素をバスバー アセンブリに直接深く統合することです。構造、電気、熱管理の側面を共同設計することで、電力変換システム全体の電力密度をさらに高めることができます。-

 

同時に、バスバーの製造はデジタル設計とシミュレーション ベースの検証にますます依存するようになります。{0} 3D 電磁シミュレーション、熱シミュレーション、機械的有限要素解析 (FEA) などの技術を使用すると、プロトタイピング前に主要な性能指標を予測できるため、反復的な設計変更に関連するコストが削減されます。

 

適用範囲に関しては、ラミネートバスバー今後も新エネルギー車、エネルギー貯蔵、産業用可変周波数ドライブ、鉄道交通、データセンター、高出力電源などの分野に拡大していくでしょう。-同社の中核となる価値提案は、単純な大電流接続から、低寄生パラメータ、高集積、高信頼性、システム レベルの電力相互接続ソリューションへと移行していきます。-全体として、積層バスバーはパワー エレクトロニクス システムの基本的な相互接続コンポーネントですが、その構造設計はパワー デバイスのスイッチング パフォーマンス、システム EMI、熱管理、および長期的な動作信頼性に直接影響します。-

 

高電力、高周波、高電圧機器の場合、バスバーの設計は電気工学と構造工学の間の重要な交差点となっています。-新エネルギーやハイエンドのパワー エレクトロニクス機器がより高い電力密度を目指して進化し続ける中、低インダクタンス、信頼性の高い絶縁、均一な電流分布、モジュール式統合に重点を置いたバスバー技術が、開発の次の段階で電力相互接続システムの最適化における重要な分野となるでしょう。-