Prepínanie meniča SiC pri 10–100 kHz: Prečo na parazitoch prípojníc záleží

Invertorová prípojnica SiC nie je len vodič s nízkym{0}}odporom. Počas vysoko-frekvenčného prepínania tvorí prípojnica časť komutačnej slučky a jej parazitná indukčnosť priamo prispieva k prekmitu napätia podľa V=L × di/dt. V prípade trakčných invertorov EV je často cieľom praktického dizajnu udržať cestu komutácie vysokého-prúdu pod 10 nH pri zachovaní kontrolovaného plazenia, vôle, nárastu teploty a mechanickej tolerancie.

 

Pre vlastnú zostavu invertorovej prípojnice SiC preto musí byť elektrický, tepelný a mechanický dizajn vyvinutý ako jedna štruktúra: výber medi C1100, laminovaná geometria, dielektrická izolácia, laserové alebo odporové zváranie, integrácia kondenzátora DC-linky a umiestnenie snímača prúdu-všetko ovplyvňujú konečný výkon spínacej-slučky.
 

 

 

SiC MOSFET môžu prepínať podstatne rýchlejšie ako konvenčné kremíkové IGBT. Výsledné vysoké di/dt odhaľuje parazitnú indukčnosť, ktorá mohla mať obmedzený vplyv na výkonové stupne s nižšou frekvenciou-.

 

Indukované napätie môže byť vyjadrené ako:

 

Vₗ=Lₚ × di/dt

kde:

Vₗ=parazitné indukčné napätie
Lₚ=indukčnosť parazitnej slučky
di/dt=aktuálna rýchlosť prebehnutia

 

Napríklad, ak má komutačná slučka 20 nH parazitnej indukčnosti a prúd sa mení pri 2 kA/µs, príspevok indukčného napätia je približne 40 V.

 

Zmenšenie plochy fyzickej slučky a protiľahlé magnetické polia vo vnútri zväzku prípojníc preto môžu znížiť prekmit spínania bez zvýšenia menovitého napätia polovodiča.

 

 

C1100/C11000 -bezkyslíková alebo elektrolyticky húževnatá-smolná meď je široko používaná pri konštrukcii vysokoprúdových prípojníc, pretože má vysokú elektrickú vodivosť a tvarovateľnosť.

 

Materiál	Typická vodivosť	Hlavná výhoda	Typická aplikácia prípojnice
C1100 meď	~97–100 % IACS	Nízky odpor DC	DC-pripojenie a napájacia cesta meniča
C1020 Oxygen-Bezplatná meď	~100% IACS	Vysoká vodivosť, nízky obsah kyslíka	Vysokonapäťová{0} elektronika
C2680 mosadz	~25–30 % IACS	Vyššia pevnosť, tvárnosť	Terminály, konzoly, hardvér
Hliník 6061	~40 % IACS	Nízka hustota, štrukturálna pevnosť	Vodiče citlivé na hmotnosť-

 

Pre vysokoprúdový invertor SiC sa ako primárna dráha prúdu zvyčajne vyberá meď C1100, zatiaľ čo mosadz alebo pokovovaná oceľ sa môžu použiť na mechanické montážne komponenty, kde je elektrická vodivosť sekundárna.

 

Hrúbka medi sa nevyberá iba z menovitého prúdu. Dizajn musí zohľadňovať:

RMS prúd
pulzný prúd
pracovný cyklus
prípustný nárast teploty
okolitej teplote
chladiace rozhranie
šírka a hrúbka vodiča
efekt blízkosti
kĺbový odpor
hrúbka pokovovania

 

 

Vrstvená prípojnica obsahuje viacero vodivých vrstiev oddelených dielektrickým materiálom. Rozmerové odchýlky v každej medenej vrstve sa hromadia v montážnych otvoroch, terminálových rozhraniach a pripojovacích bodoch kondenzátora.

 

V prípade presných komponentov je možné zaviesť kontrolu rozmerov pomocou:

Progresívne lisovanie
CNC sekundárne obrábanie
-Strhujúce
Razenie mincí
Presné ohýbanie
Laserové orezávanie
Kontrola CMM

V závislosti od geometrie je možné na kontrolovaných prvkoch dosiahnuť rozmerovú toleranciu ±0,01–0,05 mm, zatiaľ čo celková tolerancia tvarovanej{2}}časti musí byť definovaná podľa hrúbky materiálu, polomeru ohybu a stavu nástroja.

 

Technický výkres by mal rozlišovať medzi:

 

Rozmery elektrického rozhrania
Mechanické polohovacie rozmery
Nefunkčné rozmery
Požiadavky na rovinnosť
Tolerancia polohy otvoru
Požiadavky na zváracie údaje

 

 

 

Najúčinnejšia štruktúra s nízkou{0}indukčnosťou sa vo všeobecnosti získa umiestnením výstupných a spätných prúdových ciest fyzicky blízko seba.

 

Laminovaná štruktúra môže umiestniť kladné a záporné vodiče do susedných vrstiev:

 

Cu (+) / Dielektrikum / Cu (-)

 

Opačné smery prúdu vytvárajú čiastočne rušiace magnetické polia. Tým sa zmenšuje plocha slučky a tým sa znižuje parazitná indukčnosť.

 

Pre návrh vysokofrekvenčných prípojníc vyžadujú nasledujúce parametre elektrickú simuláciu a fyzické overenie:

Rozstup vodičov
Hrúbka medi
Usporiadanie vrstiev
Geometria terminálu
Aktuálny smer
Oblasť prekrytia
Umiestnenie cez alebo skrutku
Vzdialenosť kondenzátora DC-linky
Vzdialenosť polovodičového modulu
Umiestnenie snímača
Odbavenie bývania
 

 

Zväčšovanie hrúbky medi znižuje jednosmerný odpor, ale automaticky nevytvára najnižšiu spínaciu- indukčnosť slučky.

 

Medená platňa s hrúbkou 5 mm- môže stále vykazovať nadmernú indukčnosť slučky, ak sú kladný a záporný vodič fyzicky oddelený.

 

Dizajnový parameter	Smer nízkej-indukcie	Elektrický dôvod
Kladné/záporné medzery	Minimalizovať	Znižuje oblasť slučky
Aktuálne{0}}prekrytie cesty	Maximalizovať	Zlepšuje zrušenie magnetického-pola
Vzdialenosť kondenzátora DC-linky	Minimalizovať	Skracuje komutačnú slučku
Terminálový prechod	Kompaktný	Znižuje lokálnu indukčnú diskontinuitu
Hrúbka medi	Optimalizovať	Kontroluje odpor a tepelné zaťaženie
Ohyby	Minimalizujte náhle prechody	Znižuje súčasné preťaženie
Umiestnenie upevňovacích prvkov	Blízko aktuálneho rozhrania	Obmedzuje impedanciu kĺbov

 

Praktický konštrukčný cieľ by mal byť stanovený z rýchlosti spínania meniča, menovitého napätia polovodiča, prípustného prekmitu a nameraného tvaru vlny komutácie, a nie z generického čísla indukčnosti.

 

 

Dielektrická vrstva medzi medenými vodičmi musí vydržať trvalé jednosmerné napätie a opakované spínacie prechody.

 

Typické premenné konštrukcie izolácie zahŕňajú:

 

PET film
PI film
Epoxidový práškový náter
Polyimidové systémy
Tvarované izolačné konštrukcie

 

Požadovaná úroveň dielektrickej odolnosti závisí od napätia systému, prechodového napätia, hrúbky izolácie, dotvarovania, vzdialenosti a podmienok prostredia.

 

A material specification such as dielectric breakdown strength >15 kV/mm by sa nemalo považovať za úplný návrh izolácie. Hotová zostava musí byť tiež overená z hľadiska dielektrickej odolnosti, čiastočného výboja, ak je to vhodné, tepelného starnutia a mechanickej integrity.

 

 

Pre EV invertor pracujúci pri niekoľkých stovkách voltov jednosmerného prúdu nemožno vzdialenosť izolácie určiť len z hrúbky povlaku.

Dizajn by mal zvážiť:

 

Pracovné napätie
Kategória prepätia
Stupeň znečistenia
Materiálová skupina
Nadmorská výška
CTI
Plazivá vzdialenosť
Svetlá vzdialenosť
Prepínacia prechodová amplitúda

 

UL 94 V-0 môže definovať horľavosť izolačného materiálu, ale nenahrádza koordináciu elektrickej izolácie podľa platných systémových požiadaviek, ako je IEC 60664-1.

 

Vyžiadajte si bezplatné hodnotenie a cenovú ponuku DFM

 

 

Prípojnica meniča SiC môže pracovať pri miernej priemernej teplote, pričom sa vytvárajú lokalizované horúce body nad 200 stupňov v blízkosti svoriek, zváraných spojov alebo úzkych prechodov prúdu.

 

Tepelný problém je často spôsobený skôr lokalizovaným odporom než nedostatočným celkovým prierezom medi.

Joule zahrievanie je nasledovné:

 

P = I²R

Malé zvýšenie odporu spoja spôsobuje neúmerne väčší nárast teploty pri vysokom prúde.

Napríklad pri 500 A odpor spoja iba 100 µΩ vytvára:

 

P = 500² × 0.0001 = 25 W

Týchto 25 W je sústredených na relatívne malom rozhraní a nie je distribuovaných cez celú medenú prípojnicu.

 

 

V prípade zostáv prípojníc s vysokým{0}}napätím by sa odpor spoja mal kontrolovať prostredníctvom schopnosti procesu, a nie samotnej vizuálnej kontroly.

Použiteľné technológie spájania zahŕňajú:

 

Laserové zváranie

Odporové zváranie

TIG zváranie

Spájkovanie

Molekulárne difúzne zváranie

Skrutkované elektrické spoje

Nitované vodivé rozhrania

 

Metóda spájania	Typická sila	Teplom-ovplyvnená zóna	Kontrola rozmerov	Vhodná aplikácia
Laserové zváranie	Vysoká	Nízka	Vysoká	Cu prípojnicové terminály
Odporové zváranie	Vysoká	Lokalizované	Vysoká	Jazýčky a tenké vodiče
Spájkovanie v peci	Vysoká	Široká tepelná expozícia	Stredná	Komplexné medené zostavy
Molekulárne difúzne zváranie	Veľmi vysoká kvalita rozhrania	Veľmi nízka	Vysoká	Presné laminované konštrukcie
Skrutkový spoj	Mechanicky použiteľné	žiadne	Stredná	Odnímateľné spoje

 

Pri zváraní medi-na-meď laserom je absorpcia lúča výrazne nižšia ako u mnohých ocelí. Stav povrchu, vlnová dĺžka, hustota výkonu, ochranný plyn, spojovacia medzera a extrakcia tepla preto vyžadujú vývoj procesu.

 

 

Program overovania výroby by mal kombinovať rozmerové a tepelné merania.

Typická postupnosť overovania zahŕňa:

 

Kontrola koncovej polohy a rovinnosti CMM.

Štvorvodičové{0}}meranie odporu elektrických spojov.

Termočlánkové alebo RTD meranie na definovaných miestach.

Infračervené tepelné zobrazovanie pod reprezentatívnym prúdom.

Tepelné cyklovanie.

Testovanie dielektrickej odolnosti.

Kontrola prierezu-zvaru.

V prípade potreby deštruktívne skúšanie ťahom alebo šmykom.

 

Tepelné zobrazovanie by sa nemalo používať ako jediná akceptačná metóda, pretože emisivita sa výrazne líši medzi holou meďou, pokovovanou meďou, povlakom a oxidovaným povrchom.

 

 

Meď má koeficient tepelnej rozťažnosti približne 16,5–17 ppm/stupeň. Polymérová izolácia a priľahlé kovové komponenty majú vo všeobecnosti rôzne koeficienty.

 

Opakované teplotné cykly preto vytvárajú mechanické napätie pri:

zvárané rozhrania
nitované rozhrania
hranice povlaku
koncové skrutky
kondenzátorové rozhrania
montážne body snímača

 

Stoh prípojníc by mal byť navrhnutý tak, aby tepelná rozťažnosť neprenášala nadmerné napätie do vývodov kondenzátora DC{0}}linky alebo polovodičového modulu meniča.

 

 

 

Integrácia prípojnice s kondenzátorom DC{0}}Link a prúdovým snímačom môže skrátiť napájaciu slučku a znížiť počet montáží.

Mechanická integrácia však prináša ďalšie obmedzenia.

 

Prípojnica musí súčasne spĺňať:

Kapacita elektrického prúdu
Nízka rozptylová indukčnosť
Zarovnanie vývodov kondenzátora
Zarovnanie clony snímača
Ovládanie-magnetického poľa
Dotvarovanie a vyčistenie
Rozhranie bývania
Montážna tolerancia
Obslužnosť

 

 

Kondenzátor DC-linky by mal byť umiestnený čo najbližšie k spínanému výkonovému stupňu.

 

Cieľom je minimalizovať vysoko{0}}frekvenčnú komutačnú slučku:

 

DC-Kondenzátor prepojenia → kladná prípojnica → modul SiC → záporná prípojnica → DC-Kondenzátor prepojenia

 

Zväčšenie fyzickej vzdialenosti medzi týmito prvkami zväčšuje dĺžku vodiča a plochu slučky.

 

Z tohto dôvodu môže prípojnica, ktorá má elektrický-odpor, ale je fyzicky dlhá, fungovať horšie počas rýchleho prepínania SiC ako o niečo odolnejšia, ale pevne laminovaná konštrukcia.

 

 

Aktuálne senzory môžu využívať Hallov-efekt, fluxgate, skrat alebo iné technológie snímania.

 

Geometria prípojnice okolo snímača musí byť kontrolovaná:

 

Pozícia vodiča
Svetlá clona snímača
Symetria-magnetického poľa
Mechanická fixácia
Rozstup izolácie
Tepelná izolácia

 

V prípade systému merania prúdu-založeného na bočníku sú odpor a teplotný koeficient bočníka súčasťou architektúry merania.

 

V prípade snímačov magnetického prúdu môže poloha vodiča vzhľadom na snímací prvok ovplyvniť magnetické pole snímané snímačom.

 

Výkres prípojnice by preto mal obsahovať explicitné referenčné údaje snímača, a nie spoliehať sa na toleranciu všeobecnej zostavy.

 

 

Kvalita laserového zvárania silne závisí od geometrie spoja.

 

V prípade zostáv medených prípojníc by procesné okno malo ovládať:

 

Kĺbová medzera

Čistota povrchu

Hrúbka medi

Stav pokovovania

Výkon lasera

Rýchlosť zvárania

Priemer lúča

Poloha zaostrenia

Ochranný plyn

Upínací tlak

 

Stabilný zvar by sa mal overiť skôr prostredníctvom metalografických{0} prierezov než len vizuálneho vzhľadu.

 

Stiahnite si špecifikáciu dizajnu prípojnice

 

 

Pre automobilové programy samotný elektrický výkon nezakladá pripravenosť výroby.

 

Balík na overenie výroby môže obsahovať:

DFMEA

PFMEA

Kontrolný plán

Diagram toku procesu

MSA

SPC

Štúdie spôsobilosti

Správa o rozmerovej kontrole

Materiálové certifikáty

Validácia zvaru

Údaje o elektrickom odpore

Výsledky dielektrickej odolnosti

Výsledky tepelnej skúšky

Materiály súvisiace s IMDS-v príslušných prípadoch

Špecifikácia balenia

Záznamy o sledovateľnosti

 

 

Kritické -pre-kvalitatívne charakteristiky by mali byť identifikované pred hromadnou výrobou.

 

Typické vlastnosti CTQ zahŕňajú:

Poloha otvoru
Koncová rovinnosť
Hrúbka medi
Hrúbka izolácie
Prienik zvaru
Pevnosť zvaru
Odolnosť kĺbov
Hrúbka pokovovania
Dielektrická odolnosť
Zarovnanie snímača

 

Pre stabilný proces hromadnej{0}}výroby môžu zákazníci špecifikovať Cpk väčšiu alebo rovnú 1,33 alebo vyššiu hodnotu pre určené kritické charakteristiky.

Skutočná požiadavka by sa mala riadiť dohodou o kvalite a plánom kontroly zákazníka, a nie uplatňovaním jedného univerzálneho prahu spôsobilosti.

 

 

Ak sú špecifikované postriebrené-rozhrania, hrúbka pokovovania by sa mala overiť pomocou vhodnej metódy merania, ako je XRF.

Nominálna špecifikácia, ako je pokovovanie 3–5 µm Ag by mala byť doplnená:

Špecifikácia základného materiálu

Špecifikácia podložky

Minimálna lokálna hrúbka

Miesta merania

Príprava povrchu

Požiadavka na priľnavosť

Požiadavka na koróziu

V prípade medených prípojníc sa pokovovanie zvyčajne aplikuje na definované oblasti elektrického kontaktu, a nie automaticky na celý komponent.

 

 

Východiskovým bodom sú materiálové listy. Výrobná validácia musí vyhodnotiť hotovú prípojnicu.

Testovací program môže zahŕňať:

 

Test	Primárny účel	Typický kontrolný bod
Dielektrická odolnosť	Elektrická izolácia	Bez rozpisu
Izolačný odpor	Kontrola úniku	Špecifikácia zákazníka
Odolnosť kĺbov	Elektrická strata	meranie hladiny µΩ-
Tepelný vzostup	Tvorba tepla	Definovaný prúd/záťaž
Zvarový prierez-	Kvalita fúzie	Kritériá penetrácie/defektu
Kontrola CMM	Rozmerová zhoda	Tolerancia kresby
Hrúbka pokovovania	Trvanlivosť kontaktu	XRF meranie
Tepelné cyklovanie	Trvanlivosť expanzie	Definovaný teplotný profil
Vibrácie	Mechanická odolnosť	Profil vozidla/systému

 

 

Výrobná linka na zostavy prípojníc EV by mala udržiavať sledovateľnosť od prichádzajúceho materiálu až po konečnú kontrolu.

 

Typický reťazec sledovateľnosti je:

 

Medená cievka → Dávka lisovania → Tvarovanie → Zváranie → Čistenie → Izolácia → Pokovovanie → Montáž → Elektrický test → Záverečná kontrola

Údaje o procese potom možno prepojiť s výrobnou dávkou, strojom, stavom nástrojov, operátorom a záznamom o kontrole.

 

 

Stratégia nástrojov by mala začať architektúrou konečnej zostavy, a nie jednoducho reprodukovať 2D profil.

 

Pred výrobou matrice by mala technická kontrola vyhodnotiť:

Rozloženie pásu

Materiálové využitie

Smer zrna

Postupnosť ohybov

Odpruženie

Piercingové zaťaženie

Tvarovacie zaťaženie

Výber nástrojovej ocele

Opotrebiteľné povrchy

Burr smer

Základná stratégia

Zvárací prípravok

Inšpekčný prípravok

 

V prípade medených prípojníc môže byť smer otrepu elektricky a mechanicky významný tam, kde sa lisovaný okraj nachádza v blízkosti izolácie alebo iného vodiča.

 

 

Životnosť nástroja nemožno zaručiť zo všeobecného čísla zdvihu.

Skutočný život závisí od:

Tvrdosť medi

Hrúbka pásu

Rezná vôľa

Geometria razníka

Materiál matrice

Náter

Rýchlosť stláčania

Mazanie

Geometria dielu

Interval údržby

Nástroje by sa preto mali monitorovať prostredníctvom definovaných limitov opotrebenia a kritérií preventívnej{0}}údržby, a nie spoliehať sa len na akumulovaný počet zdvihov.

 

 

Spoľahlivý proces vývoja prípojníc SiC by mal využívať simuláciu aj fyzické meranie.

 

Inžiniersky postup môže byť štruktúrovaný ako:

 

Elektrická architektúra → Rozloženie 3D prípojnice → Elektromagnetická simulácia → Tepelná simulácia → DFM → Nástroje → Prototyp → CMM → Validácia zvaru → Elektrický test → Tepelný test → PPAP

 

Kritickým bodom je, že nameraná zostava musí korelovať s pôvodným elektrickým modelom.

 

Simulovaná slučka 8 nH nie je dostatočná, ak vyrobená zostava meria 18 nH z dôvodu geometrie svoriek, montážneho hardvéru alebo prechodov konektorov, ktoré boli vylúčené z modelu.

 

 

Model by mal obsahovať:

 

Medené vodiče

Terminálové prechody

Zvárané oblasti

Spojovacie body kondenzátora

Rozhranie polovodičového modulu

Upevňovacie prvky tam, kde je to elektricky relevantné

Spiatočná cesta

Štruktúra snímača, kde ovplyvňuje rozloženie prúdu

 

Pre vysoko{0}}frekvenčnú analýzu je vhodnejší úplný 3D elektromagnetický model pred jednoduchým výpočtom odporu jednosmerného prúdu

 

 

Meranie odporu by malo používať Kelvinovu štvor{0}}vodičovú metódu, kde sa charakterizuje nízky odpor.

Merania by mali špecifikovať:

 

Testovací prúd

Meracie body

Teplota okolia

Teplota prípojnice

Čas stabilizácie

Konfigurácia kontaktu

 

Pretože odpor medi sa mení s teplotou, údaje o odpore bez definovanej testovacej teploty majú obmedzenú technickú hodnotu.

 

 

Vlastná medená prípojnica pre aplikácie EV Drive by sa mala považovať skôr za elektromagnetickú, tepelnú a mechanickú zostavu než za lisovaný medený komponent.

 

V prípade trakčných meničov SiC sú technické priority merateľné:

<10 nH target for the defined high-frequency commutation loop
97–100 % vodivosť medi IACS v závislosti od kvality
Kontrolovaný odpor spoja na úrovni µΩ-
Miestna tepelná kapacita nad 200 stupňov, ak to systém vyžaduje
Definovaná dielektrická pevnosť a koordinácia izolácie
Ovládanie ±0,01–0,05 mm na vybraných presných prvkoch, ak to konštrukcia umožňuje
Verifikácia rozmerov-na CMM
Metalografická validácia zvaru
Overenie hrúbky pokovovania XRF-
Výrobné kontroly IATF 16949
Dokumentácia PPAP úrovne 3 podľa špecifikácie zákazníka

 

Správna prípojnica je tá, ktorej elektrický model, tepelný model, výrobný proces a kontrolné údaje sa zhodujú s rovnakými konštrukčnými požiadavkami.

 

 

Aké dokumenty sú bežne súčasťou balenia PPAP úrovne 3 pre invertorovú prípojnicu EV SiC?

Balík PPAP úrovne 3 zvyčajne obsahuje PSW, výkresy, materiálové záznamy, rozmerové výsledky, PFMEA, kontrolný plán, tok procesu, MSA, štúdie spôsobilosti a príslušné validačné správy.

 

Ako dlho trvá výroba nástrojov T1 a vzorkovanie prototypov pre vlastnú medenú prípojnicu meniča?

Typický vývojový cyklus T1 možno naplánovať na približne 20 až 30 dní v závislosti od geometrie, progresívnej-zložitosti lisovnice, zváracích prípravkov, dostupnosti materiálu a schválenia výkresov zákazníkom.

 

Ako sa overuje hrúbka postriebrenia na amedená prípojnicová svorka?

Hrúbka postriebrenia sa bežne overuje meraním XRF na definovaných kontrolných miestach. Výkres by mal špecifikovať minimálnu hrúbku, meranú plochu, substrát a požiadavky na podklad.