Перемикання інвертора SiC на частоті 10–100 кГц: чому паразитні шини важливі

Інверторна шина SiC — це не просто провідник із низьким-опором. Під час-перемикання високої частоти шина є частиною комутаційного контуру, а її паразитна індуктивність безпосередньо впливає на перевищення напруги відповідно до V=L × di/dt. Для електричних тягових інверторів практичною метою проектування часто є утримання високого-шляху комутації струму нижче 10 нГн, зберігаючи при цьому контрольовану стежку витоку, зазор, підвищення температури та механічний допуск.

 

Таким чином, для нестандартного вузла інверторної збірної шини SiC необхідно розробити електричну, термічну та механічну конструкцію як єдину структуру: вибір міді C1100, ламінована геометрія, діелектрична ізоляція, лазерне або контактне зварювання, інтеграція конденсатора постійного струму-Link і позиціонування-датчика струму — все це впливає на продуктивність-кінцевого перемикання.
 

 

 

SiC MOSFET може перемикатися значно швидше, ніж звичайні кремнієві IGBT. Отриманий високий di/dt виявляє паразитну індуктивність, яка могла мати обмежений вплив на нижчих-ступенях живлення.

 

Індукована напруга може бути виражена як:

 

Vₗ=Lₚ × di/dt

Де:

Vₗ=паразитна індуктивна напруга
Lₚ=індуктивність паразитної петлі
di/dt=поточна швидкість наростання

 

Наприклад, якщо контур комутації має паразитну індуктивність 20 нГн і струм змінюється на 2 кА/мкс, внесок індуктивної напруги становить приблизно 40 В.

 

Зменшення площі фізичної петлі та протилежних магнітних полів усередині стека шин може, отже, зменшити перерегулювання перемикання без збільшення номінальної напруги напівпровідника.

 

 

C1100/C11000 безкиснева-або електролітично міцна-пекова мідь широко використовується для-конструкцій шин для сильного струму через її високу електропровідність і здатність до формування.

 

матеріал	Типова провідність	Основна перевага	Типове застосування шин
C1100 Мідь	~97–100% IACS	Низький опір постійному струму	DC-Link та шлях живлення інвертора
C1020 Безкиснева-мідь	~100% IACS	Висока електропровідність, низький вміст кисню	Силова-електроніка сильного струму
C2680 Латунь	~25–30% IACS	Вища міцність, пластичність	Клеми, кронштейни, фурнітура
Алюміній 6061	~40% IACS	Низька щільність, міцність конструкції	Провідники,-чутливі до ваги

 

Для -сильнострумного інвертора SiC зазвичай вибирають мідь C1100 для первинного струму, тоді як латунь або плаковану сталь можна використовувати для механічних монтажних компонентів, де електропровідність є вторинною.

 

Товщина міді не вибирається лише на основі номіналу струму. Конструкція повинна враховувати:

Середньоквадратичний струм
імпульсний струм
робочий цикл
допустиме підвищення температури
температура навколишнього середовища
інтерфейс охолодження
ширина і товщина провідника
ефект близькості
опір суглоба
товщина покриття

 

 

Ламінована збірна шина містить кілька провідних шарів, розділених діелектричним матеріалом. Розміри кожного мідного шару накопичуються в монтажних отворах, інтерфейсах клем і точках з’єднання конденсаторів.

 

Для точних компонентів контроль розмірів можна встановити за допомогою:

Прогресивне штампування
Вторинна обробка з ЧПУ
У-заклепки
Карбування
Точне згинання
Лазерне обрізання
Інспекція ШМ

Залежно від геометрії допуск на розміри ±0,01–0,05 мм може бути досягнутий для контрольованих елементів, тоді як загальний допуск-деталі має визначатися відповідно до товщини матеріалу, радіуса вигину та стану інструменту.

 

На технічному кресленні слід розрізняти:

 

Розміри електричного інтерфейсу
Розміри механічного розташування
Не-функціональні розміри
Вимоги до площинності
Допуск на положення отвору
Вимоги до зварювання

 

 

 

Найефективнішу структуру з низькою-індуктивністю зазвичай отримують шляхом розміщення шляхів вихідного та зворотного струму фізично близько один до одного.

 

Ламінована структура може розташовувати позитивні та негативні провідники в сусідніх шарах:

 

Cu (+) / діелектрик / Cu (−)

 

Протилежні напрямки струму створюють частково скасовуючі магнітні поля. Це зменшує площу петлі і, отже, зменшує паразитну індуктивність.

 

Для -конструкції високочастотної шини такі параметри потребують електричного моделювання та фізичної перевірки:

Відстань між провідниками
Товщина міді
Розташування шарів
Геометрія клеми
Поточний напрямок
Область перекриття
Розташування отвору або болта
DC-Відстань конденсатора з’єднання
Відстань напівпровідникового модуля
Розташування датчика
Оформлення житла
 

 

Збільшення товщини міді зменшує опір постійному струму, але не забезпечує автоматично найменшу індуктивність -контуру перемикання.

 

Мідна пластина завтовшки 5 мм- все ще може демонструвати надмірну індуктивність петлі, якщо позитивний і негативний провідники фізично розділені.

 

Параметр конструкції	Низький-напрям індуктивності	Електрична причина
Позитивний/негативний інтервал	Згорнути	Зменшує площу петлі
Поточний-шлях перекривається	Максимізувати	Покращує придушення-магнітного поля
DC-Відстань конденсатора з’єднання	Згорнути	Скорочує контур комутації
Кінцевий перехід	Компактний	Зменшує локальний індуктивний розрив
Товщина міді	Оптимізувати	Контролює опір і теплове навантаження
Вигини	Мінімізуйте різкі переходи	Зменшує поточну скупченість
Розташування кріплень	Майже поточний інтерфейс	Обмежує спільний імпеданс

 

Практична мета проекту повинна бути встановлена ​​на основі швидкості перемикання інвертора, номінальної напруги напівпровідника, допустимого перерегулювання та виміряної форми сигналу комутації, а не на основі загального числа індуктивності.

 

 

Шар діелектрика між мідними провідниками повинен витримувати як постійну напругу постійного струму, так і повторювані перехідні процеси перемикання.

 

Типові параметри конструкції ізоляції включають:

 

ПЕТ плівка
плівка ПІ
Епоксидне порошкове покриття
Поліімідні системи
Формовані утеплювачі конструкції

 

Необхідний рівень діелектричної стійкості залежить від напруги системи, перехідної напруги, товщини ізоляції, шляху повзучості, зазору та умов навколишнього середовища.

 

A material specification such as dielectric breakdown strength >15 кВ/мм не слід розглядати як повну конструкцію ізоляції. Готову збірку також необхідно перевірити на діелектричну стійкість, частковий розряд, де це можливо, термічне старіння та механічну цілісність.

 

 

Для інвертора EV, що працює при напрузі в кілька сотень вольт постійного струму, відстань ізоляції не можна визначити лише за товщиною покриття.

Дизайн повинен враховувати:

 

Робоча напруга
Категорія перенапруги
Ступінь забруднення
Матеріальна група
Висота
CTI
Шлях витоку
Зазорна відстань
Амплітуда перехідного процесу

 

UL 94 V-0 може визначати показники горючості для ізоляційного матеріалу, але він не замінює координацію електричної ізоляції відповідно до відповідних системних вимог, таких як IEC 60664-1.

 

Запит на безкоштовну оцінку та пропозицію DFM

 

 

Інверторна шина SiC може працювати при помірній середній температурі, утворюючи локальні гарячі точки вище 200 градусів поблизу клем, зварних з’єднань або вузьких переходів струму.

 

Теплова проблема часто спричинена локальним опором, а не недостатнім загальним поперечним -перерізом міді.

Джоулеве нагрівання наступне:

 

P = I²R

Невелике збільшення опору з’єднання призводить до непропорційно більшого підвищення температури при великому струмі.

Наприклад, при 500 А опір з’єднання лише 100 мкОм дає:

 

P = 500² × 0.0001 = 25 W

Ці 25 Вт зосереджені на відносно невеликому інтерфейсі, а не розподілені по всій мідній шині.

 

 

Для -вузлів збірних шин із високим струмом опір з’єднання слід контролювати за допомогою процесу, а не лише візуальним оглядом.

Застосовні технології з’єднання включають:

 

Лазерне зварювання

Контактне зварювання

Зварювання TIG

Пайка

Молекулярно-дифузійне зварювання

Болтові електричні з'єднання

Клепані провідні інтерфейси

 

Спосіб приєднання	Типова міцність	Термічна-зона	Контроль розмірів	Відповідне застосування
Лазерне зварювання	Високий	Низький	Високий	Cu шинні клеми
Контактне зварювання	Високий	Локалізовано	Високий	Вкладки і тонкі провідники
Пічна пайка	Високий	Широкий термічний вплив	Середній	Складні мідні вузли
Молекулярно-дифузійне зварювання	Дуже висока якість інтерфейсу	Дуже низький	Високий	Прецизійні ламіновані конструкції
Болтове з'єднання	Механічно справний	Жодного	Середній	Рознімні з'єднання

 

Для лазерного зварювання між --міддю поглинання променя значно нижче, ніж для багатьох сталей. Тому стан поверхні, довжина хвилі, щільність потужності, захисний газ, зазор між з’єднаннями та відведення тепла вимагають розробки процесу.

 

 

Програма валідації виробництва повинна поєднувати розмірні та термічні вимірювання.

Типова послідовність перевірки включає:

 

Перевірка КІМ положення клеми та площинності.

Чотири{0}}вимірювання опору електричних з’єднань.

Вимірювання термопарою або RTD у визначених місцях.

Інфрачервоне тепловізор під типовим струмом.

Термічний цикл.

Випробування на діелектричну стійкість.

Перевірка поперечного-перерізу зварного шва.

Випробування на руйнівне розтягування або зсув, де це можливо.

 

Тепловізор не слід використовувати як єдиний метод прийнятності, оскільки коефіцієнт випромінювання суттєво відрізняється між голою міддю, гальованою міддю, покриттям і окисленими поверхнями.

 

 

Мідь має коефіцієнт теплового розширення приблизно 16,5–17 ppm/градус. Полімерна ізоляція та прилеглі металеві компоненти зазвичай мають різні коефіцієнти.

 

Таким чином, багаторазова зміна температури створює механічну напругу при:

зварні сполучення
клепані інтерфейси
межі покриття
клемні болти
конденсаторні інтерфейси
точки кріплення датчика

 

Стек шин має бути розроблений таким чином, щоб теплове розширення не передавало надмірне навантаження на клеми конденсатора DC-Link або напівпровідниковий модуль інвертора.

 

 

 

Інтеграція шини з конденсатором DC-Link і датчиком струму може скоротити контур живлення та зменшити кількість монтажів.

Однак механічна інтеграція вводить додаткові обмеження.

 

Шинопровод повинен одночасно задовольняти:

Потужність електричного струму
Низька індуктивність розсіювання
Вирівнювання клем конденсатора
Вирівнювання діафрагми датчика
Контроль-магнітного поля
Шлях повзуння і зазор
Інтерфейс корпусу
Допуск на збірку
Ремонтопридатність

 

 

Конденсатор DC-Link слід розташувати якомога ближче до перемикаючого етапу живлення.

 

Мета полягає в тому, щоб мінімізувати високочастотну-комутаційну петлю:

 

DC-З’єднувальний конденсатор → позитивна шина → SiC модуль → негативна шина → DC-З’єднувальний конденсатор

 

Збільшення фізичної відстані між цими елементами збільшує довжину провідника та площу петлі.

 

З цієї причини шина з низьким-електричним опором, але фізично довгою може працювати гірше під час швидкого перемикання SiC, ніж дещо більш резистивна, але щільно ламінована конструкція.

 

 

Поточні датчики можуть використовувати-ефект Холла, феррозонд, шунт або інші технології вимірювання.

 

Геометрія шини навколо датчика повинна підтримувати контрольований:

 

Позиція диригента
Зазор апертури датчика
Симетрія-магнітного поля
Механічна фіксація
Ізоляційний відстань
Теплоізоляція

 

Для системи вимірювання струму-на основі шунта опір і температурний коефіцієнт шунта є частиною архітектури вимірювання.

 

Для датчиків магнітного струму положення провідника відносно чутливого елемента може впливати на магнітне поле, яке спостерігає датчик.

 

Таким чином, креслення збірної шини має включати чіткі посилання на датчики, а не покладатися на загальний допуск збірки.

 

 

Якість лазерного зварювання сильно залежить від геометрії з'єднання.

 

Для вузлів мідної шини вікно процесу має контролювати:

 

Суглобова щілина

Чистота поверхні

Товщина міді

Стан покриття

Потужність лазера

Швидкість зварювання

Діаметр балки

Позиція фокусу

Захисний газ

Тиск затиску

 

Стабільність зварного шва слід перевіряти за допомогою металографічних поперечних-перерізів, а не лише за зовнішнім виглядом.

 

Завантажте специфікацію конструкції шин

 

 

Для автомобільних програм лише електричні характеристики не визначають готовність до виробництва.

 

Пакет перевірки виробництва може включати:

DFMEA

PFMEA

План контролю

Схема процесу

MSA

SPC

Дослідження можливостей

Акт перевірки розмірів

Сертифікати матеріалів

Перевірка зварного шва

Дані про електричний опір

Діелектричні результати

Результати теплових випробувань

IMDS-матеріальна інформація, де це можливо

Специфікація упаковки

Записи відстеження

 

 

Критичні-{1}}характеристики якості слід визначити перед масовим виробництвом.

 

Типові характеристики CTQ включають:

Положення отвору
Термінальна площинність
Товщина міді
Товщина ізоляції
Проплавлення зварних швів
Міцність зварного шва
Опір суглобів
Товщина покриття
Діелектрична стійкість
Вирівнювання датчика

 

Для стабільного масового-процесу виробництва клієнти можуть вказати Cpk більше або дорівнює 1,33 або вище значення для призначених критичних характеристик.

Фактична вимога має відповідати угоді клієнта щодо якості та плану контролю, а не застосовувати один універсальний поріг можливостей.

 

 

Якщо вказано посріблені поверхні розділу, товщину покриття слід перевіряти за допомогою відповідного методу вимірювання, наприклад XRF.

Номінальна специфікація, наприклад покриття Ag 3–5 мкм, має супроводжуватися:

Специфікація основного матеріалу

Специфікація підкладки

Мінімальна локальна товщина

Місця вимірювання

Підготовка поверхні

Вимоги до адгезії

Вимоги до корозії

Для мідних шин покриття зазвичай наноситься на певні електричні контактні зони, а не автоматично на весь компонент.

 

 

Специфікації матеріалів є відправною точкою. Виробнича перевірка повинна оцінити готову шину.

Програма тестування може включати:

 

Тест	Основне призначення	Типова контрольна точка
Діелектрична стійкість	Електроізоляція	Без поломки
Опір ізоляції	Контроль витоків	Специфікація замовника
Опір суглобів	Електричні втрати	вимірювання рівня µΩ-
Термічний підйом	Вироблення тепла	Визначений струм/навантаження
Переріз -зварного шва	Якість злиття	Критерії проникнення/дефектності
Інспекція ШМ	Відповідність розмірів	Толерантність малювання
Товщина покриття	Довговічність контакту	XRF вимірювання
Термічний цикл	Стійкість до розширення	Визначений температурний профіль
вібрація	Механічна міцність	Профіль транспортного засобу/системи

 

 

Виробнича лінія збірних шин електромобілів повинна підтримувати відстеження від вхідного матеріалу до остаточної перевірки.

 

Типовий ланцюг відстеження:

 

Мідна котушка → Штампована партія → Формування → Зварювання → Очищення → Ізоляція → Покриття → Збірка → Електричне випробування → Кінцева перевірка

Потім дані процесу можна пов’язати з виробничою партією, станком, станом інструменту, оператором і записом перевірки.

 

 

Стратегія інструментів повинна починатися з остаточної архітектури складання, а не просто відтворювати 2D профіль.

 

Перед виготовленням матриці технічний огляд повинен оцінити:

Розкладка стрічки

Використання матеріалу

Напрямок зерна

Послідовність згину

Springback

Колюче навантаження

Формуюче навантаження

Вибір інструментальної сталі

Зношуються поверхні

Напрямок задирок

Дата стратегії

Зварювальне пристосування

Оглядове пристосування

 

Для мідних шин напрямок задирок може мати електричне та механічне значення, якщо штампована кромка розташована поблизу ізоляції або іншого провідника.

 

 

Термін служби інструменту не може бути гарантований за допомогою загального числа ходу.

Справжнє життя залежить від:

Твердість міді

Товщина смуги

Зазор для різання

Геометрія пуансона

Матеріал матриці

Покриття

Швидкість натискання

Змащення

Геометрія деталей

Інтервал технічного обслуговування

Тому інструменти слід контролювати за допомогою визначених меж зносу та критеріїв профілактичного-обслуговування, а не покладатися лише на сукупну кількість ударів.

 

 

Надійний процес розробки шин SiC повинен використовувати як моделювання, так і фізичні вимірювання.

 

Послідовність проектування може бути структурована так:

 

Електрична архітектура → 3D схема шин → Електромагнітне моделювання → Теплове моделювання → DFM → Інструмент → Прототип → КІМ → Перевірка зварювальних швів → Електричні випробування → Термічні випробування → PPAP

 

Критичним моментом є те, що виміряний вузол повинен співвідноситися з оригінальною електричною моделлю.

 

Змодельована петля 8 нГн недостатня, якщо виготовлена ​​збірка має розміри 18 нГн через геометрію клеми, монтажне обладнання або переходи роз’ємів, які були виключені з моделі.

 

 

Модель повинна містити:

 

Мідні провідники

Кінцеві переходи

Зварні області

Точки підключення конденсатора

Інтерфейс напівпровідникового модуля

Кріпильні деталі, якщо це стосується електрики

Зворотній шлях

Структура датчика, де вона впливає на розподіл струму

 

Для-високочастотного аналізу повна тривимірна електромагнітна модель є кращою, ніж простий розрахунок опору постійному струму

 

 

Для вимірювання опору слід використовувати чотири-дротовий метод Кельвіна, якщо характеризується низьким опором.

Вимірювання повинні вказувати:

 

Тестовий струм

Точки вимірювання

Температура навколишнього середовища

Температура шин

Час стабілізації

Конфігурація контакту

 

Оскільки опір міді змінюється з температурою, дані про опір без визначеної температури випробування мають обмежену технічну цінність.

 

 

Індивідуальну мідну шину для електроприводів слід розглядати як електромагнітну, термічну та механічну збірку, а не як штампований мідний компонент.

 

Для тягових інверторів SiC інженерні пріоритети можна виміряти:

<10 nH target for the defined high-frequency commutation loop
97–100% провідності міді IACS залежно від марки
Контрольований опір з’єднання на рівні мкОм-
Місцева теплова здатність вище 200 градусів, якщо це потрібно системі
Визначена електрична міцність і координація ізоляції
Контроль ±0,01–0,05 мм для вибраних точних елементів, де це дозволяє конструкція
Перевірка розмірів на основі-CMM
Металографічна перевірка зварного шва
Перевірка товщини-покриття XRF
Контроль виробництва IATF 16949
Документація PPAP рівня 3, якщо це вказано замовником

 

Правильна збірна шина – це та, електрична модель, теплова модель, виробничий процес і дані перевірки якої відповідають однаковим вимогам до конструкції.

 

 

Які документи зазвичай входять до пакету PPAP рівня 3 для шин інвертора EV SiC?

Пакет PPAP рівня 3 зазвичай включає PSW, креслення, записи про матеріали, розмірні результати, PFMEA, план управління, потік процесу, MSA, дослідження можливостей і відповідні звіти про перевірку.

 

Скільки часу займає інструмент T1 і вибірка прототипу для спеціальної мідної шини інвертора?

Типовий цикл розробки T1 можна запланувати приблизно на 20–30 днів, залежно від геометрії, прогресивної-складності матриці, зварювальних пристосувань, наявності матеріалів і схвалення креслення замовником.

 

Як перевіряється товщина посріблення на aмідний термінал шини?

Товщина посрібленого покриття зазвичай перевіряється вимірюванням XRF у визначених місцях перевірки. Креслення має вказувати мінімальну товщину, площу вимірювання, вимоги до підкладки та підкладки.