Переключение SiC-инвертора на частоте 10–100 кГц: почему важны паразитные соединения на шинах

Инверторная шина SiC – это не просто проводник с низким-омным сопротивлением. Во время высокочастотного переключения-шина образует часть контура коммутации, и ее паразитная индуктивность напрямую способствует перенапряжению в соответствии с V=L × di/dt. Для тяговых инверторов электромобилей практической целью проектирования часто является сохранение пути коммутации высокого-тока ниже 10 нГн, сохраняя при этом контролируемые пути утечки, зазор, повышение температуры и механическую устойчивость.

 

Поэтому для специальной сборки инверторной шины SiC электрическая, тепловая и механическая конструкция должна быть разработана как одна структура: выбор меди C1100, ламинированная геометрия, диэлектрическая изоляция, лазерная или контактная сварка, интеграция конденсатора постоянного тока-звена постоянного тока и расположение-датчика тока - все это влияет на окончательные характеристики коммутационного-контура.
 

 

 

SiC MOSFET могут переключаться значительно быстрее, чем обычные кремниевые IGBT. В результате высокое значение di/dt обнажает паразитную индуктивность, которая могла иметь ограниченное влияние на низкочастотных силовых каскадах.

 

Индуцированное напряжение можно выразить как:

 

Vₗ=Lₚ × di/dt

Где:

Vₗ=паразитное индуктивное напряжение
Lₚ=паразитная индуктивность контура
di/dt=текущая скорость нарастания

 

Например, если контур коммутации имеет паразитную индуктивность 20 нГн и ток изменяется со скоростью 2 кА/мкс, вклад индуктивного напряжения составит примерно 40 В.

 

Таким образом, уменьшение площади физического контура и противоположных магнитных полей внутри пакета шин может уменьшить перенапряжение при переключении без увеличения номинального полупроводникового напряжения.

 

 

Медь C1100/C11000,-бескислородная или электролитически прочная-с пеком, широко используется в конструкции сильноточных-шинных шин из-за ее высокой электропроводности и способности к формованию.

 

Материал	Типичная проводимость	Основное преимущество	Типичное применение шинопровода
C1100 Медь	~97–100% МАКО	Низкое сопротивление постоянному току	Цепь постоянного тока-питания и инвертор
C1020 Бескислородная-медь	~100% МАКО	Высокая проводимость, низкое содержание кислорода	Силовая-мощная электроника
C2680 Латунь	~25–30% МАКО	Более высокая прочность, формуемость	Клеммы, кронштейны, метизы
Алюминий 6061	~40% МАКО	Низкая плотность, структурная прочность	Проводники,-чувствительные к весу

 

Для сильноточного инвертора SiC в качестве первичного пути тока обычно выбирается медь C1100, а для механических монтажных компонентов, где электропроводность играет второстепенную роль, можно использовать латунь или сталь с покрытием.

 

Толщина меди выбирается не только исходя из номинального тока. Проект должен учитывать:

Среднеквадратический ток
импульсный ток
рабочий цикл
допустимое повышение температуры
температура окружающей среды
интерфейс охлаждения
ширина и толщина проводника
эффект близости
сопротивление суставов
толщина покрытия

 

 

Ламинированная шина содержит несколько проводящих слоев, разделенных диэлектрическим материалом. Разница в размерах каждого медного слоя накапливается в монтажных отверстиях, интерфейсах клемм и точках подключения конденсаторов.

 

Для прецизионных компонентов контроль размеров может быть установлен посредством:

Прогрессивная штамповка
Вторичная обработка с ЧПУ
В-клепке штампов
Чеканка
Прецизионная гибка
Лазерная обрезка
Инспекция ШМ

В зависимости от геометрии на контролируемых элементах может быть достигнут допуск на размер ±0,01–0,05 мм, тогда как общий допуск фасонной-детали должен определяться в зависимости от толщины материала, радиуса изгиба и состояния инструмента.

 

В инженерном чертеже следует различать:

 

Размеры электрического интерфейса
Механические установочные размеры
Не-функциональные аспекты
Требования к плоскостности
Допуск положения отверстия
Требования к сварочным данным

 

 

 

Наиболее эффективная конструкция с низкой-индуктивностью обычно получается путем размещения путей исходящего и обратного тока физически близко друг к другу.

 

Ламинированная структура позволяет располагать положительные и отрицательные проводники в соседних слоях:

 

Cu (+) / Диэлектрик / Cu (-)

 

Противоположные направления тока генерируют частично компенсирующие магнитные поля. Это уменьшает площадь контура и, следовательно, снижает паразитную индуктивность.

 

При проектировании высокочастотной-шинной шины следующие параметры требуют электрического моделирования и физической проверки:

Расстояние между проводниками
Толщина меди
Расположение слоев
Геометрия терминала
Текущее направление
Область перекрытия
Через или расположение болта
Расстояние до конденсатора цепи постоянного тока-Link
Расстояние до полупроводникового модуля
Расположение датчика
Оформление жилья
 

 

Увеличение толщины меди снижает сопротивление постоянному току, но не обеспечивает автоматически минимальную индуктивность переключающего-контура.

 

Медная пластина толщиной 5 мм-все равно может иметь чрезмерную индуктивность контура, если положительный и отрицательный проводники физически разделены.

 

Проектный параметр	Низкое-направление индуктивности	Электрическая причина
Положительный/отрицательный интервал	Свернуть	Уменьшает площадь петли
Текущий-путь перекрывается	Максимизировать	Улучшает подавление магнитного-поля.
Расстояние до конденсатора цепи постоянного тока-Link	Свернуть	Сокращает контур коммутации
Терминальный переход	Компактный	Уменьшает локальную индуктивную неоднородность
Толщина меди	Оптимизировать	Контролирует сопротивление и тепловую нагрузку
Изгибы	Минимизируйте резкие переходы	Уменьшает текущую скученность
Расположение крепежа	Рядом с текущим интерфейсом	Ограничивает сопротивление суставов

 

Практическая цель проектирования должна определяться на основе скорости переключения инвертора, номинального напряжения полупроводников, допустимого перерегулирования и измеренной формы коммутационного сигнала, а не на основе общего значения индуктивности.

 

 

Диэлектрический слой между медными проводниками должен выдерживать как постоянное напряжение постоянного тока, так и повторяющиеся переходные процессы переключения.

 

Типичные параметры конструкции изоляции включают в себя:

 

ПЭТ пленка
ПИ фильм
Эпоксидное порошковое покрытие
Полиимидные системы
Формованные изоляционные конструкции

 

Требуемый уровень диэлектрической стойкости зависит от напряжения системы, переходного напряжения, толщины изоляции, пути утечки, зазора и условий окружающей среды.

 

A material specification such as dielectric breakdown strength >15 кВ/мм не следует рассматривать как полную изоляцию. Готовая сборка также должна быть проверена на диэлектрическую стойкость, частичный разряд, где это применимо, термическое старение и механическую целостность.

 

 

Для инвертора EV, работающего при напряжении постоянного тока в несколько сотен вольт, расстояние между изоляцией невозможно определить только по толщине покрытия.

Проект должен учитывать:

 

Рабочее напряжение
Категория перенапряжения
Степень загрязнения
Группа материалов
Высота
CTI
Расстояние утечки
Расстояние зазора
Переключение переходной амплитуды

 

UL 94 V-0 может определять характеристики воспламеняемости изоляционного материала, но он не заменяет координацию электрической изоляции в соответствии с применимыми системными требованиями, такими как IEC 60664-1.

 

Запросить бесплатную оценку и ценовое предложение DFM

 

 

Инверторная шина SiC может работать при умеренной средней температуре, при этом возникают локальные горячие точки с температурой выше 200 градусов вблизи клемм, сварных соединений или узких переходов тока.

 

Проблема с температурой часто вызвана локальным сопротивлением, а не недостаточным общим поперечным-сечением меди.

Джоулево нагрев происходит следующим образом:

 

P = I²R

Небольшое увеличение сопротивления соединения приводит к непропорционально большему повышению температуры при большом токе.

Например, при токе 500 А совместное сопротивление всего 100 мкОм дает:

 

P = 500² × 0.0001 = 25 W

Эти 25 Вт концентрируются на относительно небольшом интерфейсе, а не распределяются по всей медной шине.

 

 

Для сильноточных сборных шин-сопротивление соединения следует контролировать с помощью технологических возможностей, а не только посредством визуального осмотра.

Применимые технологии соединения включают в себя:

 

Лазерная сварка

Контактная сварка

TIG-сварка

Пайка

Молекулярно-диффузионная сварка

Болтовые электрические соединения

Клепаные проводящие интерфейсы

 

Метод присоединения	Типичная сила	Зона-теплового воздействия	Контроль размеров	Подходящее применение
Лазерная сварка	Высокий	Низкий	Высокий	Медные шинные клеммы
Контактная сварка	Высокий	Локализованный	Высокий	Вкладки и тонкие проводники
Пайка в печи	Высокий	Широкое тепловое воздействие	Середина	Сложные медные сборки
Молекулярно-диффузионная сварка	Очень высокое качество интерфейса	Очень низкий	Высокий	Прецизионные ламинированные конструкции
Болтовое соединение	Механический исправный	Никто	Середина	Съемные соединения

 

При лазерной сварке меди-с-медью поглощение луча значительно ниже, чем у многих сталей. Поэтому состояние поверхности, длина волны, плотность мощности, защитный газ, зазор между соединениями и отвод тепла требуют разработки технологического процесса.

 

 

Программа проверки производства должна сочетать размерные и термические измерения.

Типичная последовательность проверки включает в себя:

 

Проверка положения и плоскостности выводов с помощью КИМ.

Четырех-измерение сопротивления электрических соединений.

Измерение термопарой или термометром сопротивления в определенных местах.

Инфракрасное тепловидение при репрезентативном токе.

Термический цикл.

Испытание на диэлектрическую стойкость.

Проверка сечения сварных швов-.

Разрушающее испытание на растяжение или сдвиг, где это применимо.

 

Тепловидение не следует использовать в качестве единственного метода приемки, поскольку коэффициент излучения значительно различается между голой медью, медью с покрытием, покрытием и окисленными поверхностями.

 

 

Медь имеет коэффициент теплового расширения примерно 16,5–17 ppm/градус. Полимерная изоляция и прилегающие к ней металлические компоненты обычно имеют разные коэффициенты.

 

Таким образом, повторяющиеся температурные циклы создают механическое напряжение при:

сварные интерфейсы
клепаные интерфейсы
границы покрытия
клеммные болты
конденсаторные интерфейсы
места крепления датчика

 

Комплект шин должен быть спроектирован таким образом, чтобы тепловое расширение не приводило к чрезмерной нагрузке на клеммы конденсатора цепи постоянного тока-звена постоянного тока или полупроводниковый модуль инвертора.

 

 

 

Интеграция шины с конденсатором цепи постоянного тока-Link и датчиком тока может сократить контур питания и уменьшить количество сборок.

Однако механическая интеграция накладывает дополнительные ограничения.

 

Шинопровод должен одновременно удовлетворять:

Электрический ток
Низкая паразитная индуктивность
Выравнивание клемм конденсатора
Выравнивание апертуры датчика
Управление магнитным-полем
Утечка и зазор
Интерфейс корпуса
Допуск сборки
Удобство обслуживания

 

 

Конденсатор цепи постоянного тока-Link должен быть расположен как можно ближе к импульсному силовому каскаду.

 

Цель состоит в том, чтобы минимизировать высокочастотный цикл коммутации:

 

Конденсатор постоянного тока-звена → положительная шина → модуль SiC → отрицательная шина → конденсатор-звена постоянного тока

 

Увеличение физического расстояния между этими элементами увеличивает длину проводника и площадь шлейфа.

 

По этой причине шина с электрическим низким-сопротивлением, но физически длинной, может работать хуже при быстром переключении SiC, чем немного более резистивная, но плотно ламинированная конструкция.

 

 

В датчиках тока могут использоваться-эффект Холла, феррозондовые, шунтирующие или другие технологии измерения.

 

Геометрия шины вокруг датчика должна оставаться контролируемой:

 

Позиция дирижера
Зазор апертуры датчика
Симметрия магнитного-поля
Механическая фиксация
Расстояние между изоляцией
Тепловая изоляция

 

Для системы измерения тока на основе шунта-сопротивление и температурный коэффициент шунта являются частью измерительной архитектуры.

 

Для датчиков магнитного тока положение проводника относительно чувствительного элемента может влиять на магнитное поле, воспринимаемое датчиком.

 

Поэтому чертеж шинопровода должен включать явные ссылки на исходные данные датчика, а не полагаться на общие допуски сборки.

 

 

Качество лазерной сварки сильно зависит от геометрии соединения.

 

Для сборок медных шин окно процесса должно контролировать:

 

Совместный разрыв

Чистота поверхности

Толщина меди

Состояние покрытия

Мощность лазера

Скорость сварки

Диаметр луча

Положение фокуса

Защитный газ

Давление зажима

 

Стабильный сварной шов следует проверять по металлографическим сечениям-, а не только по внешнему виду.

 

Загрузить спецификацию проектирования шинопровода

 

 

В автомобильных программах одни только электрические характеристики не определяют готовность производства.

 

Пакет проверки производства может включать в себя:

ДФМЕА

ПФМЭА

План управления

Блок-схема процесса

MSA

НПЦ

Исследования возможностей

Отчет о проверке размеров

Сертификаты материалов

Проверка сварных швов

Данные по электрическому сопротивлению

Результаты диэлектрической стойкости

Результаты тепловых испытаний

Существенная информация, связанная с IMDS-, где это применимо.

Спецификация упаковки

Записи прослеживаемости

 

 

Критические-характеристики-качества должны быть определены до начала массового производства.

 

Типичные характеристики CTQ включают в себя:

Положение отверстия
Терминальная плоскостность
Толщина меди
Толщина изоляции
Проваривание сварного шва
Прочность сварного шва
Совместное сопротивление
Толщина покрытия
Диэлектрическая стойкость
Выравнивание датчика

 

Для стабильного процесса массового-производства клиенты могут указать Cpk больше или равное 1,33 или более высокое значение для обозначенных критических характеристик.

Фактические требования должны соответствовать соглашению о качестве и плану контроля клиента, а не применять один универсальный порог возможностей.

 

 

Если указаны интерфейсы с-посеребренным покрытием, толщину покрытия следует проверять с помощью соответствующего метода измерения, например XRF.

Номинальные характеристики, такие как покрытие Ag толщиной 3–5 мкм, должны сопровождаться:

Спецификация основного материала

Спецификация нижней пластины

Минимальная локальная толщина

Места измерения

Подготовка поверхности

Требование к адгезии

Требование к коррозии

Для медных шин покрытие обычно наносится на определенные площади электрических контактов, а не автоматически по всему компоненту.

 

 

Спецификации материалов служат отправной точкой. При валидации производства необходимо оценить готовую шину.

Программа испытаний может включать в себя:

 

Тест	Основная цель	Типичная контрольная точка
Диэлектрическая стойкость	Электрическая изоляция	Нет поломки
Сопротивление изоляции	Контроль утечек	Спецификация клиента
Совместное сопротивление	Электрические потери	мкОм-измерение уровня
Термический подъем	Выработка тепла	Определенный ток/нагрузка
Сечение сварного шва-	Качество сварки	Критерии проникновения/дефекта
Инспекция ШМ	Соответствие размеров	Допуск рисунка
Толщина покрытия	Контактная долговечность	РФА-измерение
Термальный велоспорт	Расширение долговечности	Определенный температурный профиль
Вибрация	Механическая прочность	Профиль автомобиля/системы

 

 

Производственная линия для сборок шин для электромобилей должна обеспечивать отслеживаемость от поступающего материала до окончательного контроля.

 

Типичная цепочка отслеживания:

 

Медная катушка → Штамповочная партия → Формовка → Сварка → Очистка → Изоляция → Покрытие → Сборка → Электрические испытания → Заключительная проверка

Данные процесса затем можно связать с производственной партией, станком, состоянием оснастки, оператором и записью проверки.

 

 

Стратегия создания инструментов должна начинаться с окончательной архитектуры сборки, а не просто с воспроизведения 2D-профиля.

 

Перед изготовлением штампа инженерная проверка должна оценить:

Расположение полосы

Использование материала

Направление зерна

Последовательность изгиба

Пружинный возврат

Пронзающая нагрузка

Формирующая нагрузка

Выбор инструментальной стали

Поверхности износа

Направление заусенцев

Базовая стратегия

Сварочное приспособление

Инспекционное приспособление

 

Для медных шин направление заусенцев может иметь электрическое и механическое значение, если штампованная кромка расположена рядом с изоляцией или другим проводником.

 

 

Срок службы инструмента не может быть гарантирован на основании общего числа ходов.

Реальная жизнь зависит от:

Твердость меди

Толщина полосы

Зазор при резке

Геометрия пуансона

Материал штампа

Покрытие

Скорость печати

Смазка

Геометрия детали

Интервал технического обслуживания

Поэтому инструмент следует контролировать с помощью определенных пределов износа и критериев профилактического-технического обслуживания, а не полагаться только на накопленное количество ходов.

 

 

В процессе разработки надежной шины SiC необходимо использовать как моделирование, так и физические измерения.

 

Последовательность проектирования можно структурировать следующим образом:

 

Электрическая архитектура → 3D-компоновка шин → Электромагнитное моделирование → Термическое моделирование → DFM → Инструменты → Прототип → CMM → Проверка сварных швов → Электрические испытания → Термические испытания → PPAP

 

Критическим моментом является то, что измеренная сборка должна коррелировать с исходной электрической моделью.

 

Смоделированной петли 8 нГн недостаточно, если измеренная величина изготовленной сборки составляет 18 нГн из-за геометрии клемм, монтажного оборудования или переходов разъема, которые были исключены из модели.

 

 

Модель должна включать в себя:

 

Медные проводники

Терминальные переходы

Сварные области

Точки подключения конденсаторов

Интерфейс полупроводникового модуля

Крепежи, где это электрически важно

Обратный путь

Структура датчика, влияющая на распределение тока

 

Для высокочастотного анализа предпочтительнее использовать полную трехмерную электромагнитную модель, чем простой расчет сопротивления постоянному току.

 

 

При измерении сопротивления следует использовать четырехпроводной-метод Кельвина, характеризующийся низким сопротивлением.

Измерения должны указывать:

 

Тестовый ток

Точки измерения

Температура окружающей среды

Температура шины

Время стабилизации

Конфигурация контактов

 

Поскольку сопротивление меди изменяется в зависимости от температуры, данные о сопротивлении без определенной температуры испытания имеют ограниченную инженерную ценность.

 

 

Специальную медную шину для электроприводов следует рассматривать как электромагнитную, тепловую и механическую сборку, а не как штампованный медный компонент.

 

Для тяговых преобразователей SiC инженерные приоритеты измеримы:

<10 nH target for the defined high-frequency commutation loop
Проводимость меди по стандарту IACS 97–100 % в зависимости от марки.
Контролируемое сопротивление соединения на уровне мкОм-
Локальная тепловая мощность выше 200 градусов, если этого требует система.
Определенная диэлектрическая прочность и координация изоляции
Контроль ±0,01–0,05 мм по выбранным прецизионным характеристикам, если это позволяет конструкция.
Проверка размеров на основе КИМ-
Металлографическая проверка сварных швов
РФА-покрытие-проверка толщины покрытия
IATF 16949 производственный контроль
Документация PPAP уровня 3, если указано заказчиком

 

Правильная шина — это та шина, электрическая модель, тепловая модель, производственный процесс и данные проверки которой совпадают с одинаковыми проектными требованиями.

 

 

Какие документы обычно входят в пакет PPAP уровня 3 для инверторной шины EV SiC?

Пакет PPAP уровня 3 обычно включает PSW, чертежи, записи материалов, результаты размеров, PFMEA, план управления, последовательность операций, MSA, исследования возможностей и применимые отчеты о проверке.

 

Сколько времени занимает обработка оснастки T1 и выборка прототипа для изготовленной на заказ медной инверторной шины?

Типичный цикл разработки T1 можно запланировать примерно на 20–30 дней, в зависимости от геометрии, прогрессивной-сложности штампа, сварочных приспособлений, наличия материалов и утверждения чертежей заказчиком.

 

Как проверяется толщина серебряного покрытия намедный шинный терминал?

Толщина серебряного покрытия обычно проверяется методом РФА в определенных местах проверки. На чертеже должны быть указаны минимальная толщина, площадь измерения, требования к подложке и нижней пластине.