Przełączanie falownika SiC przy 10–100 kHz: dlaczego pasożyty szyn zbiorczych mają znaczenie

Szyna zbiorcza falownika SiC to nie tylko przewód o niskiej-oporności. Podczas przełączania-wysokiej częstotliwości szyna zbiorcza stanowi część pętli komutacyjnej, a jej indukcyjność pasożytnicza bezpośrednio przyczynia się do przeregulowania napięcia zgodnie z V=L × di/dt. W przypadku falowników trakcyjnych pojazdów elektrycznych praktycznym celem projektowym jest często utrzymanie ścieżki komutacji-wysokoprądowej poniżej 10 nH przy jednoczesnym zachowaniu kontrolowanego upływu, prześwitu, wzrostu temperatury i tolerancji mechanicznej.

 

W przypadku niestandardowego zespołu szyn zbiorczych falownika SiC projekt elektryczny, termiczny i mechaniczny musi być zatem opracowany jako jedna struktura: dobór miedzi C1100, geometria laminowana, izolacja dielektryczna, zgrzewanie laserowe lub oporowe, integracja kondensatorów-linku DC i położenie-czujnika prądu – wszystko to wpływa na końcową wydajność-pętli przełączającej.
 

 

 

Tranzystory MOSFET SiC mogą przełączać się znacznie szybciej niż konwencjonalne krzemowe IGBT. Wynikający z tego wysoki di/dt ujawnia indukcyjność pasożytniczą, która mogła mieć ograniczony wpływ na stopnie mocy o niższych-częstotliwościach.

 

Indukowane napięcie można wyrazić jako:

 

Vₗ=Lₚ × di/dt

Gdzie:

Vₗ=pasożytnicze napięcie indukcyjne
Lₚ=indukcyjność pętli pasożytniczej
di/dt=bieżąca szybkość narastania

 

Na przykład, jeśli pętla komutacyjna ma indukcyjność pasożytniczą 20 nH i zmiany prądu przy 2 kA/µs, udział napięcia indukcyjnego wynosi około 40 V.

 

Zmniejszenie obszaru pętli fizycznej i przeciwstawnych pól magnetycznych wewnątrz stosu szyn zbiorczych może zatem zmniejszyć przeregulowanie przełączania bez zwiększania napięcia znamionowego półprzewodników.

 

 

Miedź pakowa C1100/C11000 beztlenowa-lub twarda elektrolitycznie-jest szeroko stosowana do budowy-wysokoprądowych szyn zbiorczych ze względu na jej wysoką przewodność elektryczną i zdolność do formowania.

 

Tworzywo	Typowa przewodność	Główna zaleta	Typowe zastosowanie szyn zbiorczych
Miedź C1100	~ 97–100% IACS	Niska rezystancja prądu stałego	DC-Ścieżka zasilania łącza DC i falownika
C1020 Beztlenowa-miedź	~100% IACS	Wysoka przewodność, niska zawartość tlenu	Wysoko-elektronika dużej mocy
Mosiądz C2680	~25–30% IACS	Większa wytrzymałość, odkształcalność	Zaciski, wsporniki, osprzęt
Aluminium 6061	~40% IACS	Niska gęstość, wytrzymałość konstrukcyjna	Przewodniki-wrażliwe na masę

 

W przypadku wysokoprądowych falowników-SiC na główną ścieżkę prądową zwykle wybiera się miedź C1100, natomiast do mechanicznych elementów montażowych, w których przewodność elektryczna ma drugorzędne znaczenie, można zastosować mosiądz lub stal platerowaną.

 

Grubość miedzi nie jest wybierana wyłącznie na podstawie aktualnej wartości znamionowej. Projekt musi uwzględniać:

Prąd skuteczny
prąd pulsacyjny
cykl pracy
dopuszczalny wzrost temperatury
temperatura otoczenia
interfejs chłodzący
szerokość i grubość przewodu
efekt bliskości
opór stawów
grubość poszycia

 

 

Laminowana szyna zbiorcza zawiera wiele warstw przewodzących oddzielonych materiałem dielektrycznym. Różnice wymiarowe w każdej warstwie miedzi kumulują się w otworach montażowych, interfejsach zacisków i punktach podłączenia kondensatora.

 

W przypadku elementów precyzyjnych kontrolę wymiarową można przeprowadzić poprzez:

Progresywne tłoczenie
Obróbka wtórna CNC
W-nitowaniu matrycowym
Wybijanie
Precyzyjne gięcie
Przycinanie laserowe
Kontrola CMM

W zależności od geometrii w przypadku kontrolowanych elementów można osiągnąć tolerancję wymiarową wynoszącą ±0,01–0,05 mm, natomiast ogólną tolerancję-części uformowanej należy określić na podstawie grubości materiału, promienia zgięcia i stanu oprzyrządowania.

 

Rysunek techniczny powinien rozróżniać:

 

Wymiary interfejsu elektrycznego
Mechaniczne wymiary ustalające
Wymiary nie-funkcjonalne
Wymagania dotyczące płaskości
Tolerancja położenia otworu
Wymagania dotyczące punktu odniesienia spawania

 

 

 

Najbardziej efektywną strukturę o niskiej-indukcyjności uzyskuje się zazwyczaj umieszczając ścieżki prądu wychodzącego i powrotnego fizycznie blisko siebie.

 

Struktura laminowana może umieszczać przewodniki dodatnie i ujemne w sąsiednich warstwach:

 

Cu (+) / Dielektryk / Cu (-)

 

Przeciwne kierunki prądu generują częściowo znoszące się pola magnetyczne. Zmniejsza to obszar pętli, a tym samym zmniejsza indukcyjność pasożytniczą.

 

W przypadku projektu szyn zbiorczych-wysokiej częstotliwości następujące parametry wymagają symulacji elektrycznej i weryfikacji fizycznej:

Rozstaw przewodów
Grubość miedzi
Układ warstw
Geometria terminala
Aktualny kierunek
Obszar nakładania się
Za pomocą lub lokalizacji śruby
DC-Odległość kondensatora łącza
Odległość modułu półprzewodnikowego
Lokalizacja czujnika
Odprawa mieszkaniowa
 

 

Zwiększanie grubości miedzi zmniejsza rezystancję prądu stałego, ale nie powoduje automatycznie najniższej indukcyjności-pętli przełączającej.

 

Płyta miedziana-o grubości 5 mm może nadal wykazywać nadmierną indukcyjność pętli, jeśli przewody dodatni i ujemny są fizycznie oddzielone.

 

Parametr projektowy	Kierunek niskiej-indukcji	Powód elektryczny
Odstępy dodatnie/ujemne	Zminimalizować	Zmniejsza obszar pętli
Bieżące-ścieżki pokrywają się	Wyolbrzymiać	Poprawia eliminację-pola magnetycznego
DC-Odległość kondensatora łącza	Zminimalizować	Skraca pętlę komutacyjną
Przejście terminala	Kompaktowy	Redukuje lokalną nieciągłość indukcyjną
Grubość miedzi	Być optymistą	Kontroluje rezystancję i obciążenie termiczne
Zakręty	Zminimalizuj nagłe przejścia	Zmniejsza obecne zatłoczenie
Lokalizacje elementów złącznych	Blisko obecnego interfejsu	Ogranicza impedancję stawu

 

Praktyczny cel projektowy powinien zostać ustalony na podstawie prędkości przełączania falownika, napięcia znamionowego półprzewodników, dopuszczalnego przeregulowania i zmierzonego kształtu fali komutacyjnej, a nie na podstawie ogólnej liczby indukcyjności.

 

 

Warstwa dielektryczna pomiędzy przewodnikami miedzianymi musi wytrzymywać zarówno ciągłe napięcie prądu stałego, jak i powtarzające się stany przejściowe przełączania.

 

Typowe zmienne projektowe izolacji obejmują:

 

Folia PET
Film P.I
Powłoka proszkowa epoksydowa
Systemy poliimidowe
Formowane konstrukcje izolacyjne

 

Wymagany poziom wytrzymałości dielektrycznej zależy od napięcia systemu, napięcia przejściowego, grubości izolacji, upływu, prześwitu i warunków środowiskowych.

 

A material specification such as dielectric breakdown strength >15 kV/mm nie należy traktować jako pełnego projektu izolacji. Gotowy zespół należy również sprawdzić pod kątem wytrzymałości dielektrycznej, wyładowań niezupełnych, jeśli ma to zastosowanie, starzenia termicznego i integralności mechanicznej.

 

 

W przypadku falownika EV pracującego przy napięciu kilkuset woltów prądu stałego, odstępów izolacyjnych nie można określić na podstawie samej grubości powłoki.

Projekt powinien uwzględniać:

 

Napięcie robocze
Kategoria przepięciowa
Stopień zanieczyszczenia
Grupa materiałowa
Wysokość
CTI
Odległość pełzania
Odległość prześwitu
Przełączanie amplitudy przejściowej

 

Norma UL 94 V-0 może definiować palność materiału izolacyjnego, ale nie zastępuje koordynacji izolacji elektrycznej zgodnie z obowiązującymi wymaganiami systemowymi, takimi jak IEC 60664-1.

 

Poproś o bezpłatną ocenę i wycenę DFM

 

 

Szyna zbiorcza inwertera SiC może pracować w umiarkowanej średniej temperaturze, jednocześnie tworząc lokalne gorące punkty powyżej 200 stopni w pobliżu zacisków, połączeń spawanych lub wąskich przejść prądowych.

 

Problem termiczny jest często spowodowany miejscowym oporem, a nie niewystarczającym całkowitym-przekrojem poprzecznym miedzi.

Ogrzewanie Joule'a następuje:

 

P = I²R

Niewielki wzrost rezystancji złącza powoduje nieproporcjonalnie większy wzrost temperatury przy dużym prądzie.

Na przykład przy 500 A rezystancja złącza wynosząca zaledwie 100 µΩ powoduje:

 

P = 500² × 0.0001 = 25 W

Te 25 W skupia się na stosunkowo małym interfejsie, a nie jest rozprowadzane na całej miedzianej szynie zbiorczej.

 

 

W przypadku zespołów szyn zbiorczych-wysokoprądowych rezystancję połączeń należy kontrolować na podstawie możliwości procesu, a nie wyłącznie kontroli wzrokowej.

Stosowane technologie łączenia obejmują:

 

Spawanie laserowe

Zgrzewanie oporowe

Spawanie metodą TIG

Mosiężnictwo

Molekularne spawanie dyfuzyjne

Skręcane złącza elektryczne

Nitowane interfejsy przewodzące

 

Metoda łączenia	Typowa siła	Strefa wpływu ciepła-	Kontrola wymiarowa	Odpowiednia aplikacja
Spawanie laserowe	Wysoki	Niski	Wysoki	Zaciski szyn zbiorczych Cu
Zgrzewanie oporowe	Wysoki	Zlokalizowane	Wysoki	Wypustki i cienkie przewodniki
Lutowanie piecowe	Wysoki	Szeroka ekspozycja termiczna	Średni	Skomplikowane zespoły miedziane
Molekularne spawanie dyfuzyjne	Bardzo wysoka jakość interfejsu	Bardzo niski	Wysoki	Precyzyjne konstrukcje laminowane
Złącze skręcane	Mechanicznie sprawny	Nic	Średni	Zdejmowane połączenia

 

W przypadku spawania laserowego miedzi-na-miedź absorpcja wiązki jest znacznie niższa niż w przypadku wielu stali. Stan powierzchni, długość fali, gęstość mocy, gaz osłonowy, szczelina złącza i odprowadzanie ciepła wymagają zatem opracowania procesu.

 

 

Program walidacji produkcji powinien łączyć pomiary wymiarowe i termiczne.

Typowa sekwencja walidacji obejmuje:

 

Kontrola CMM położenia końcowego i płaskości.

Czteroprzewodowy-pomiar rezystancji złączy elektrycznych.

Pomiar termoparą lub czujnikiem RTD w określonych lokalizacjach.

Obrazowanie termowizyjne w podczerwieni pod prądem reprezentatywnym.

Cykl termiczny.

Badanie wytrzymałości dielektrycznej.

Kontrola przekroju spoiny-.

Tam, gdzie ma to zastosowanie, niszczące badanie rozciągania lub ścinania.

 

Obrazowanie termowizyjne nie powinno być stosowane jako jedyna metoda akceptacji, ponieważ emisyjność różni się znacznie pomiędzy gołą miedzią, miedzią platerowaną, powłoką i powierzchniami utlenionymi.

 

 

Miedź ma współczynnik rozszerzalności cieplnej około 16,5–17 ppm/stopień. Izolacja polimerowa i sąsiadujące elementy metalowe mają na ogół różne współczynniki.

 

Dlatego powtarzające się zmiany temperatury powodują naprężenia mechaniczne w:

spawane interfejsy
nitowane interfejsy
granice powłoki
śruby terminala
interfejsy kondensatorów
punkty mocowania czujnika

 

Stos szyn zbiorczych powinien być zaprojektowany w taki sposób, aby rozszerzalność cieplna nie przenosiła nadmiernych naprężeń na zaciski kondensatora łącza DC-lub moduł półprzewodnika falownika.

 

 

 

Integracja szyny zbiorczej z kondensatorem- łącza DC i czujnikiem prądu może skrócić pętlę mocy i zmniejszyć liczbę elementów montażowych.

Integracja mechaniczna wprowadza jednak dodatkowe ograniczenia.

 

Szyna zbiorcza musi jednocześnie spełniać:

Wydajność prądu elektrycznego
Niska indukcyjność rozproszenia
Wyrównanie zacisków kondensatora
Wyrównanie apertury czujnika
Sterowanie polem-magnetycznym
Pełzanie i prześwit
Interfejs obudowy
Tolerancja montażu
Użyteczność

 

 

Kondensator łącza DC-powinien być umieszczony możliwie najbliżej stopnia mocy przełączającej.

 

Celem jest zminimalizowanie-pętli komutacji wysokiej częstotliwości:

 

DC-Kondensator łączący → szyna dodatnia → moduł SiC → szyna ujemna → DC-Kondensator łączący

 

Zwiększanie fizycznej odległości między tymi elementami zwiększa długość przewodu i powierzchnię pętli.

 

Z tego powodu szyna zbiorcza o niskiej-oporności elektrycznej, ale fizycznie długa, może działać gorzej podczas szybkiego przełączania SiC niż konstrukcja o nieco większej rezystancji, ale szczelnie laminowana.

 

 

Czujniki prądu mogą wykorzystywać-efekt Halla, bramkę strumienia, bocznik lub inne technologie wykrywania.

 

Geometria szyn zbiorczych wokół czujnika musi być kontrolowana:

 

Stanowisko dyrygenta
Luz apertury czujnika
Symetria pola-magnetycznego
Mocowanie mechaniczne
Rozstaw izolacji
Izolacja termiczna

 

W przypadku systemu pomiaru prądu opartego na boczniku-rezystancja i współczynnik temperaturowy bocznika stanowią część architektury pomiarowej.

 

W przypadku czujników prądu magnetycznego położenie przewodu względem elementu czujnikowego może wpływać na pole magnetyczne widziane przez czujnik.

 

Dlatego rysunek szyn zbiorczych powinien zawierać wyraźne odniesienia do punktów odniesienia czujnika, a nie opierać się na ogólnej tolerancji montażu.

 

 

Jakość spawania laserowego zależy w dużym stopniu od geometrii złącza.

 

W przypadku zespołów szyn miedzianych okno procesowe powinno kontrolować:

 

Wspólna luka

Czystość powierzchni

Grubość miedzi

Stan platerowania

Moc lasera

Prędkość spawania

Średnica belki

Pozycja ostrości

Gaz osłonowy

Ciśnienie zaciskania

 

Stabilność spoiny należy sprawdzać na podstawie przekrojów metalograficznych-, a nie wyłącznie na podstawie wyglądu.

 

Pobierz specyfikację projektu szyn zbiorczych

 

 

W przypadku programów motoryzacyjnych same parametry elektryczne nie zapewniają gotowości produkcyjnej.

 

Pakiet walidacji produkcji może obejmować:

DFMEA

PFMEA

Plan kontroli

Schemat przebiegu procesu

MSA

SPC

Badania zdolności

Raport z kontroli wymiarowej

Certyfikaty materiałowe

Walidacja spoiny

Dane dotyczące rezystancji elektrycznej

Wyniki wytrzymałości dielektrycznej

Wyniki testów termicznych

Tam, gdzie ma to zastosowanie, istotne informacje związane z IMDS

Specyfikacja opakowania

Zapisy dotyczące identyfikowalności

 

 

Przed masową produkcją należy określić cechy krytyczne-dla-jakości.

 

Typowe cechy CTQ obejmują:

Pozycja otworu
Płaskość terminala
Grubość miedzi
Grubość izolacji
Penetracja spoiny
Wytrzymałość spoiny
Wspólny opór
Grubość poszycia
Wytrzymałość dielektryczna
Ustawianie czujnika

 

Aby zapewnić stabilny proces-masowej produkcji, klienci mogą określić Cpk większe lub równe 1,33 lub wyższą wartość dla wyznaczonych charakterystyk krytycznych.

Rzeczywiste wymagania powinny być zgodne z umową dotyczącą jakości i planem kontroli klienta, a nie stosować jeden uniwersalny próg możliwości.

 

 

Tam, gdzie określono interfejsy-posrebrzane, grubość powłoki należy sprawdzić przy użyciu odpowiedniej metody pomiarowej, takiej jak XRF.

Do specyfikacji nominalnej, np. platerowania Ag o grubości 3–5 µm, należy dołączyć:

Specyfikacja materiału podstawowego

Specyfikacja podblatowa

Minimalna grubość lokalna

Miejsca pomiaru

Przygotowanie powierzchni

Wymóg przyczepności

Wymóg korozji

W przypadku szyn miedzianych powlekanie jest zwykle nakładane na określone obszary styków elektrycznych, a nie automatycznie na cały element.

 

 

Arkusze danych materiałów stanowią punkt wyjścia. Walidacja produkcji musi ocenić gotową szynę zbiorczą.

Program testowy może obejmować:

 

Test	Główny cel	Typowy punkt kontrolny
Wytrzymałość dielektryczna	Izolacja elektryczna	Brak awarii
Rezystancja izolacji	Kontrola wycieków	Specyfikacja klienta
Wspólny opór	Straty elektryczne	Pomiar poziomu µΩ-
Wzrost temperatury	Wytwarzanie ciepła	Zdefiniowany prąd/obciążenie
Spaw przekroju-	Jakość fuzji	Kryteria penetracji/wady
Kontrola CMM	Zgodność wymiarowa	Tolerancja rysunku
Grubość poszycia	Trwałość kontaktu	Pomiar XRF
Cykl termiczny	Trwałość ekspansji	Zdefiniowany profil temperaturowy
Wibracja	Trwałość mechaniczna	Profil pojazdu/systemu

 

 

Linia produkcyjna zespołów szyn zbiorczych pojazdów elektrycznych powinna zapewniać identyfikowalność od materiału przychodzącego aż po kontrolę końcową.

 

Typowy łańcuch identyfikowalności to:

 

Cewka miedziana → Partia tłoczenia → Formowanie → Spawanie → Czyszczenie → Izolacja → Poszycie → Montaż → Test elektryczny → Kontrola końcowa

Dane procesowe można następnie powiązać z partią produkcyjną, maszyną, stanem narzędzi, operatorem i zapisem kontroli.

 

 

Strategię oprzyrządowania należy rozpocząć od ostatecznej architektury montażu, a nie po prostu odtworzyć profil 2D.

 

Przed wyprodukowaniem matrycy przegląd techniczny powinien ocenić:

Układ pasków

Wykorzystanie materiału

Kierunek ziaren

Sekwencja zginania

Wiosna

Obciążenie przebijające

Obciążenie formujące

Wybór stali narzędziowej

Nosić powierzchnie

Kierunek zadziorów

Strategia odniesienia

Urządzenie spawalnicze

Urządzenie inspekcyjne

 

W przypadku szyn miedzianych kierunek zadziorów może mieć znaczenie elektryczne i mechaniczne, gdy wytłoczona krawędź znajduje się w pobliżu izolacji lub innego przewodnika.

 

 

Nie można zagwarantować trwałości narzędzia na podstawie ogólnego numeru skoku.

Rzeczywiste życie zależy od:

Twardość miedzi

Grubość paska

Luz cięcia

Geometria stempla

Materiał matrycy

Powłoka

Naciśnij prędkość

Smarowanie

Geometria części

Interwał konserwacji

Dlatego oprzyrządowanie należy monitorować za pomocą określonych limitów zużycia i kryteriów-konserwacji zapobiegawczej, a nie polegać wyłącznie na skumulowanej liczbie skoków.

 

 

Niezawodny proces opracowywania szyn zbiorczych SiC powinien wykorzystywać zarówno symulację, jak i pomiary fizyczne.

 

Sekwencję inżynieryjną można ułożyć w następujący sposób:

 

Architektura elektryczna → Układ szyn zbiorczych 3D → Symulacja elektromagnetyczna → Symulacja termiczna → DFM → Oprzyrządowanie → Prototyp → CMM → Walidacja spoiny → Test elektryczny → Test termiczny → PPAP

 

Krytycznym punktem jest to, że mierzony zespół musi odpowiadać oryginalnemu modelowi elektrycznemu.

 

Symulowana pętla 8 nH nie jest wystarczająca, jeśli wyprodukowany zespół mierzy 18 nH ze względu na geometrię zacisków, elementy montażowe lub przejścia między złączami, które zostały wykluczone z modelu.

 

 

Model powinien zawierać:

 

Przewodniki miedziane

Przejścia terminalowe

Regiony spawane

Punkty podłączenia kondensatorów

Interfejs modułu półprzewodnikowego

Elementy złączne tam, gdzie ma to znaczenie elektryczne

Ścieżka powrotna

Struktura czujnika, gdzie wpływa na rozkład prądu

 

W przypadku analizy wysokich-częstotliwości lepszy jest kompletny model elektromagnetyczny 3D niż proste obliczenia rezystancji prądu stałego

 

 

Pomiar rezystancji powinien odbywać się metodą czteroprzewodową-Kelvina, w przypadku której charakteryzuje się niską rezystancją.

Pomiary powinny określać:

 

Prąd testowy

Punkty pomiarowe

Temperatura otoczenia

Temperatura szyn zbiorczych

Czas stabilizacji

Konfiguracja kontaktu

 

Ponieważ rezystancja miedzi zmienia się wraz z temperaturą, dane dotyczące rezystancji bez określonej temperatury testowej mają ograniczoną wartość inżynieryjną.

 

 

Niestandardową szynę miedzianą do zastosowań w napędach elektrycznych należy traktować jako zespół elektromagnetyczny, termiczny i mechaniczny, a nie jako element z tłoczonej miedzi.

 

W przypadku falowników trakcyjnych SiC priorytety inżynieryjne są mierzalne:

<10 nH target for the defined high-frequency commutation loop
Przewodność miedzi 97–100% IACS w zależności od gatunku
Kontrolowany opór złącza na poziomie µΩ-
Lokalna wydajność cieplna powyżej 200 stopni, jeśli jest to wymagane przez system
Zdefiniowana wytrzymałość dielektryczna i koordynacja izolacji
Kontrola ±0,01–0,05 mm w przypadku wybranych cech precyzyjnych, jeśli pozwala na to projekt
Weryfikacja wymiarowa-na podstawie CMM
Walidacja metalograficzna spoiny
Weryfikacja grubości-powłoki XRF
Kontrola produkcji IATF 16949
Dokumentacja PPAP poziomu 3, jeśli została określona przez klienta

 

Właściwa szyna zbiorcza to taka, której model elektryczny, model termiczny, proces produkcyjny i dane kontrolne są zbieżne z tymi samymi wymaganiami projektowymi.

 

 

Jakie dokumenty są zwykle zawarte w pakiecie PPAP poziomu 3 dla szyny zbiorczej falownika EV SiC?

Pakiet PPAP poziomu 3 zazwyczaj obejmuje PSW, rysunki, dokumentację materiałową, wyniki wymiarowe, PFMEA, plan kontroli, przebieg procesu, MSA, badania zdolności i odpowiednie raporty z walidacji.

 

Jak długo trwa oprzyrządowanie T1 i pobieranie próbek prototypów w przypadku niestandardowej miedzianej szyny zbiorczej falownika?

Typowy cykl rozwoju T1 można zaplanować na około 20–30 dni, w zależności od geometrii,-stopniowego stopnia złożoności matrycy, osprzętu spawalniczego, dostępności materiałów i zatwierdzenia rysunku klienta.

 

W jaki sposób sprawdzana jest grubość srebrzenia namiedziana końcówka szynowa?

Grubość posrebrzania jest powszechnie weryfikowana poprzez pomiar XRF w określonych miejscach kontroli. Na rysunku należy określić minimalną grubość, powierzchnię pomiarową, wymagania dotyczące podłoża i płyty spodniej.