Prebacivanje invertera SiC na 10–100 kHz: Zašto su paraziti na sabirnicama važni

SiC inverterska sabirnica nije samo vodič-niskog otpora. Tijekom visokofrekventnog prebacivanja, sabirnica čini dio komutacijske petlje, a njezin parazitski induktivitet izravno pridonosi prekoračenju napona prema V=L × di/dt. Za EV vučne izmjenjivače, praktičan cilj dizajna često je zadržati komutacijski put visoke-struje ispod 10 nH, uz održavanje kontrolirane puzne staze, zazora, porasta temperature i mehaničke tolerancije.

 

Za prilagođeni SiC inverterski sklop sabirnice, električni, toplinski i mehanički dizajn stoga se moraju razviti kao jedna struktura: izbor C1100 bakra, laminirana geometrija, dielektrična izolacija, lasersko ili otporno zavarivanje, DC-integracija kondenzatora veze i strujni-pozicioniranje senzora, sve to utječe na konačnu izvedbu sklopne-petlje.
 

 

 

SiC MOSFET-ovi mogu se prebacivati ​​znatno brže od konvencionalnih silicijskih IGBT-ova. Rezultirajući visoki di/dt otkriva parazitsku induktivnost koja je možda imala ograničen utjecaj u nižim-frekventnim stupnjevima snage.

 

Inducirani napon može se izraziti kao:

 

Vₗ=Lₚ × di/dt

Gdje:

Vₗ=parazitni induktivni napon
Lₚ=induktivitet parazitske petlje
di/dt=trenutna brzina pada

 

Na primjer, ako komutacijska petlja ima 20 nH parazitske induktivnosti i promjene struje pri 2 kA/µs, doprinos induktivnog napona je približno 40 V.

 

Smanjenje fizičke površine petlje i suprotnih magnetskih polja unutar skupa sabirnica stoga može smanjiti prekoračenje sklopke bez povećanja nazivnog napona poluvodiča.

 

 

C1100/C11000 bakar -bez kisika ili elektrolitski čvrst-smolni bakar naširoko se koristi za konstrukciju sabirnica visoke{4}}struje zbog svoje visoke električne vodljivosti i sposobnosti oblikovanja.

 

Materijal	Tipična vodljivost	Glavna prednost	Tipična primjena sabirnica
C1100 Bakar	~97–100% IACS	Nizak istosmjerni otpor	DC-Put napajanja veze i pretvarača
C1020 Bakar-bez kisika	~100% IACS	Visoka vodljivost, nizak sadržaj kisika	Energetska elektronika-jake struje
C2680 mesing	~25–30% IACS	Veća čvrstoća, mogućnost oblikovanja	Terminali, nosači, hardver
Aluminij 6061	~40% IACS	Niska gustoća, strukturna čvrstoća	Vodiči-osjetljivi na težinu

 

Za SiC inverter visoke-struje, C1100 bakar se obično odabire za primarni strujni put, dok se mesing ili pozlaćeni čelik mogu koristiti za komponente mehaničke ugradnje gdje je električna vodljivost sekundarna.

 

Debljina bakra ne odabire se samo iz trenutne vrijednosti. Dizajn mora uzeti u obzir:

RMS struja
impulsna struja
radni ciklus
dopušteni porast temperature
temperatura okoline
rashladno sučelje
širina i debljina vodiča
učinak blizine
otpor zglobova
debljina oplate

 

 

Laminirana sabirnica sadrži više vodljivih slojeva odvojenih dielektričnim materijalom. Dimenzionalne varijacije u svakom bakrenom sloju nakupljaju se na rupama za montažu, terminalnim sučeljima i spojnim točkama kondenzatora.

 

Za precizne komponente, kontrola dimenzija može se uspostaviti putem:

Progresivno žigosanje
CNC sekundarna obrada
U -zakivanju
Kovanje novca
Precizno savijanje
Lasersko podrezivanje
CMM inspekcija

Ovisno o geometriji, tolerancija dimenzija od ±0,01–0,05 mm može se postići na kontroliranim značajkama, dok se ukupna tolerancija oblikovanog-dijela mora definirati prema debljini materijala, radijusu savijanja i stanju alata.

 

Tehnički crtež treba razlikovati između:

 

Dimenzije električnog sučelja
Dimenzije mehaničkog lociranja
Ne-funkcionalne dimenzije
Zahtjevi za ravnost
Tolerancija položaja rupe
Zahtjevi za zavarivanje

 

 

 

Najučinkovitija struktura niske{0}}induktivnosti općenito se dobiva postavljanjem odlaznih i povratnih strujnih putova fizički blizu jedan drugome.

 

Laminirana struktura može postaviti pozitivne i negativne vodiče u susjedne slojeve:

 

Cu (+) / Dielektrik / Cu (−)

 

Suprotni smjerovi struje stvaraju djelomično poništavajuća magnetska polja. Ovo smanjuje područje petlje i stoga smanjuje parazitsku induktivnost.

 

Za -dizajn visokofrekventne sabirnice, sljedeći parametri zahtijevaju električnu simulaciju i fizičku provjeru:

Razmak vodiča
Debljina bakra
Raspored slojeva
Geometrija terminala
Trenutni smjer
Područje preklapanja
Mjesto prolaza ili vijka
DC-Udaljenost kondenzatora veze
Udaljenost modula poluvodiča
Položaj senzora
Kućište čišćenje
 

 

Povećanje debljine bakra smanjuje istosmjerni otpor, ali ne proizvodi automatski najniži induktivitet sklopne-petlje.

 

Bakrena ploča debljine 5 mm-i dalje može pokazivati ​​prekomjernu induktivnost petlje ako su pozitivni i negativni vodiči fizički odvojeni.

 

Parametar dizajna	Smjer niske-induktivnosti	Električni razlog
Pozitivan/negativan razmak	Minimiziraj	Smanjuje područje petlje
Preklapanje trenutačnog-puta	Maksimiziraj	Poboljšava poništavanje-magnetskog polja
DC-Udaljenost kondenzatora veze	Minimiziraj	Skraćuje komutacijsku petlju
Terminalni prijelaz	Kompaktan	Smanjuje lokalni induktivni diskontinuitet
Debljina bakra	Optimizirajte	Kontrolira otpor i toplinsko opterećenje
Zavoji	Smanjite nagle prijelaze	Smanjuje trenutnu gužvu
Mjesta pričvršćivača	Blizu trenutnog sučelja	Ograničava impedanciju zglobova

 

Praktični projektni cilj trebao bi se utvrditi iz brzine prebacivanja pretvarača, nazivnog napona poluvodiča, dopuštenog prekoračenja i izmjerenog valnog oblika komutacije, a ne iz generičkog broja induktiviteta.

 

 

Dielektrični sloj između bakrenih vodiča mora izdržati i kontinuirani istosmjerni napon i ponavljajuće prijelazne pojave.

 

Tipične varijable dizajna izolacije uključuju:

 

PET folija
PI film
Epoksidni premaz u prahu
Poliimidni sustavi
Oblikovane izolacijske konstrukcije

 

Potrebna razina dielektrične otpornosti ovisi o naponu sustava, prijelaznom naponu, debljini izolacije, puznoj stazi, zazoru i uvjetima okoline.

 

A material specification such as dielectric breakdown strength >15 kV/mm ne treba tretirati kao kompletan dizajn izolacije. Gotov sklop također mora biti validiran za otpornost na dielektrik, djelomično pražnjenje gdje je primjenjivo, toplinsko starenje i mehanički integritet.

 

 

Za EV pretvarač koji radi na nekoliko stotina volti istosmjerne struje, izolacijski razmak ne može se odrediti samo na temelju debljine premaza.

Dizajn treba uzeti u obzir:

 

Radni napon
Kategorija prenapona
Stupanj onečišćenja
Grupa materijala
Nadmorska visina
CTI
Puzna staza
Čista udaljenost
Preklopna prijelazna amplituda

 

UL 94 V-0 može definirati performanse zapaljivosti za izolacijski materijal, ali ne zamjenjuje koordinaciju električne izolacije prema primjenjivim zahtjevima sustava kao što je IEC 60664-1.

 

Zatražite besplatnu DFM procjenu i ponudu

 

 

SiC inverterska sabirnica može raditi na umjerenoj prosječnoj temperaturi dok razvija lokalizirane vruće točke iznad 200 stupnjeva u blizini terminala, zavarenih spojeva ili uskih strujnih prijelaza.

 

Toplinski problem često uzrokuje lokalizirani otpor, a ne nedovoljan ukupni presjek bakra-.

Jouleovo zagrijavanje slijedi:

 

P = I²R

Malo povećanje otpora spoja uzrokuje nesrazmjerno veći porast temperature pri visokoj struji.

Na primjer, pri 500 A, otpor zgloba od samo 100 µΩ proizvodi:

 

P = 500² × 0.0001 = 25 W

Tih 25 W koncentrirano je na relativno malom sučelju, a ne raspoređeno po cijeloj bakrenoj sabirnici.

 

 

Za sklopove sabirnica visoke-struje, otpor spoja treba kontrolirati kroz sposobnost procesa, a ne samo vizualnim pregledom.

Primjenjive tehnologije spajanja uključuju:

 

Lasersko zavarivanje

Otporno zavarivanje

TIG zavarivanje

Lemljenje

Zavarivanje molekularnom difuzijom

Vijčani električni spojevi

Zakovicama vodljiva sučelja

 

Metoda spajanja	Tipična snaga	Zona-zahvaćena toplinom	Kontrola dimenzija	Prikladna primjena
Lasersko zavarivanje	visoko	Niska	visoko	Cu stezaljke sabirnica
Otporno zavarivanje	visoko	Lokalizirano	visoko	Pločice i tanki vodiči
Lemljenje u peći	visoko	Široka toplinska izloženost	srednje	Složeni bakreni sklopovi
Zavarivanje molekularnom difuzijom	Vrlo visoka kvaliteta sučelja	Vrlo nisko	visoko	Precizne laminirane strukture
Vijčani spoj	Mehanički ispravan	Nijedan	srednje	Uklonjivi priključci

 

Za bakar-na-bakar lasersko zavarivanje, apsorpcija zraka znatno je niža nego kod mnogih čelika. Stanje površine, valna duljina, gustoća snage, zaštitni plin, razmak spojeva i odvođenje topline stoga zahtijevaju razvoj procesa.

 

 

Program validacije proizvodnje trebao bi kombinirati dimenzionalna i toplinska mjerenja.

Tipični slijed provjere valjanosti uključuje:

 

CMM pregled položaja terminala i ravnosti.

Četvero{0}}žično mjerenje otpora električnih spojeva.

Termopar ili RTD mjerenje na definiranim mjestima.

Infracrveno toplinsko snimanje pod reprezentativnom strujom.

Toplinski ciklus.

Ispitivanje otpornosti na dielektrik.

Provjera-presjeka zavara.

Ispitivanje destruktivnim povlačenjem ili smicanjem gdje je primjenjivo.

 

Toplinsko snimanje ne bi se trebalo koristiti kao jedina metoda prihvaćanja jer se emisivnost značajno razlikuje između golog bakra, presvučenog bakra, premaza i oksidiranih površina.

 

 

Bakar ima koeficijent toplinske ekspanzije od približno 16,5-17 ppm/stupanj. Polimerna izolacija i susjedne metalne komponente općenito imaju različite koeficijente.

 

Ponovljeni ciklusi temperature stoga stvaraju mehaničko naprezanje na:

zavarena sučelja
zakovana sučelja
granice premaza
terminalni vijci
sučelja kondenzatora
točke ugradnje senzora

 

Snop sabirnica trebao bi biti dizajniran tako da toplinska ekspanzija ne prenosi prekomjerno naprezanje na terminale kondenzatora DC{0}}Link ili poluvodički modul pretvarača.

 

 

 

Integracija sabirnice s kondenzatorom DC{0}}Link veze i strujnim senzorom može skratiti strujnu petlju i smanjiti broj sklopova.

Međutim, mehanička integracija uvodi dodatna ograničenja.

 

Sabirnica mora istovremeno zadovoljavati:

Kapacitet električne struje
Nizak rasipni induktivitet
Usklađivanje priključaka kondenzatora
Poravnanje otvora senzora
Kontrola-magnetskog polja
Puzna staza i zazor
Sučelje kućišta
Tolerancija montaže
Mogućnost servisiranja

 

 

Kondenzator istosmjerne{0}}veze trebao bi biti postavljen što je moguće bliže stupnju prekidačke snage.

 

Cilj je minimizirati visoko{0}}komutacijsku petlju:

 

DC-vezni kondenzator → pozitivna sabirnica → SiC modul → negativna sabirnica → DC-vezni kondenzator

 

Povećanje fizičke udaljenosti između ovih elemenata povećava duljinu vodiča i područje petlje.

 

Iz tog razloga, sabirnica koja ima električni-niski otpor, ali fizički dugačka, može imati lošije rezultate tijekom brzog preklapanja SiC-a od malo otpornijeg, ali čvrsto laminiranog dizajna.

 

 

Trenutačni senzori mogu koristiti Hall-efekt, fluxgate, shunt ili druge senzorske tehnologije.

 

Geometrija sabirnice oko senzora mora održavati kontroliranu:

 

Položaj dirigenta
Razmak otvora senzora
Simetrija-magnetskog polja
Mehanička fiksacija
Izolacijski razmak
Toplinska izolacija

 

Za sustav mjerenja struje-koji se temelji na šantu, otpor i temperaturni koeficijent šanta dio su mjerne arhitekture.

 

Za senzore magnetske struje, položaj vodiča u odnosu na senzorski element može utjecati na magnetsko polje koje vidi senzor.

 

Crtež sabirnice bi stoga trebao uključivati ​​eksplicitne reference senzora umjesto oslanjanja na opću toleranciju sklopa.

 

 

Kvaliteta laserskog zavarivanja uvelike ovisi o geometriji spoja.

 

Za sklopove bakrenih sabirnica, procesni prozor treba kontrolirati:

 

Zglobni jaz

Čistoća površine

Debljina bakra

Stanje oplate

Snaga lasera

Brzina zavarivanja

Promjer grede

Položaj fokusa

Zaštitni plin

Pritisak stezanja

 

Stabilan zavar trebao bi se potvrditi metalografskim-presjecima, a ne samo vizualnim izgledom.

 

Preuzmite specifikaciju dizajna sabirnica

 

 

Za automobilske programe samo električna izvedba ne utvrđuje spremnost za proizvodnju.

 

Paket validacije proizvodnje može uključivati:

DFMEA

PFMEA

Plan kontrole

Dijagram toka procesa

MSA

SPC

Studije sposobnosti

Izvješće o inspekciji dimenzija

Certifikati materijala

Validacija zavara

Podaci o električnom otporu

Rezultati otpornosti na dielektrik

Rezultati toplinskog ispitivanja

IMDS{0}}informacije o materijalu gdje je primjenjivo

Specifikacija pakiranja

Evidencija sljedivosti

 

 

Kritične-za-karakteristike kvalitete treba identificirati prije masovne proizvodnje.

 

Tipične CTQ karakteristike uključuju:

Položaj rupe
Ravnost terminala
Debljina bakra
Debljina izolacije
Probijanje zavara
Čvrstoća zavara
Otpor zglobova
Debljina oplata
Dielektrična otpornost
Usklađivanje senzora

 

Za stabilan proces masovne-proizvodnje kupci mogu navesti Cpk veći od ili jednak 1,33 ili višu vrijednost za naznačene kritične karakteristike.

Stvarni zahtjev trebao bi slijediti kupčev ugovor o kvaliteti i plan kontrole, a ne primjenjivati ​​jedan univerzalni prag sposobnosti.

 

 

Tamo gdje su specificirana posrebrena sučelja, debljinu oplate treba provjeriti odgovarajućom metodom mjerenja kao što je XRF.

Nominalna specifikacija kao što je 3-5 µm Ag oplata treba biti popraćena:

Specifikacija osnovnog materijala

Specifikacija donje ploče

Minimalna lokalna debljina

Mjesta mjerenja

Priprema površine

Zahtjev za prianjanje

Zahtjev za koroziju

Za bakrene sabirnice, oplata se obično primjenjuje na definirana električna kontaktna područja, a ne automatski na cijelu komponentu.

 

 

Tehničke tablice materijala daju početnu točku. Validacija proizvodnje mora ocijeniti gotovu sabirnicu.

Program testiranja može uključivati:

 

Test	Primarna namjena	Tipična kontrolna točka
Dielektrična otpornost	Električna izolacija	Nema kvara
Otpor izolacije	Kontrola curenja	Specifikacija kupca
Otpor zglobova	Električni gubitak	µΩ-mjerenje razine
Toplinski porast	Stvaranje topline	Definirana struja/opterećenje
Poprečni-presjek zavara	Kvaliteta fuzije	Kriteriji penetracije/defekta
CMM inspekcija	Usklađenost dimenzija	Tolerancija crteža
Debljina oplata	Trajnost kontakta	XRF mjerenje
Toplinski ciklus	Trajnost ekspanzije	Definirani temperaturni profil
Vibracija	Mehanička izdržljivost	Profil vozila/sustava

 

 

Proizvodna linija za sklopove sabirnica EV trebala bi održavati sljedivost od ulaznog materijala do završne inspekcije.

 

Tipičan lanac sljedivosti je:

 

Bakrena zavojnica → Serija za utiskivanje → Oblikovanje → Zavarivanje → Čišćenje → Izolacija → Oplata → Sastavljanje → Električno ispitivanje → Završna inspekcija

Podaci o procesu mogu se zatim povezati s proizvodnom serijom, strojem, stanjem alata, operaterom i evidencijom inspekcije.

 

 

Strategija alata trebala bi započeti s konačnom arhitekturom sklopa, a ne jednostavnom reprodukcijom 2D profila.

 

Prije izrade kalupa, inženjerski pregled treba procijeniti:

Raspored trake

Iskorištenje materijala

Smjer zrna

Slijed savijanja

Springback

Piercing opterećenje

Opterećenje oblikovanja

Izbor alatnog čelika

Potrošne površine

Burr smjer

Datumska strategija

Naprava za zavarivanje

Naprava za inspekciju

 

Za bakrene sabirnice, smjer srha može biti električni i mehanički značajan ako se utisnuti rub nalazi u blizini izolacije ili drugog vodiča.

 

 

Trajnost alata ne može se jamčiti iz generičkog broja hoda.

Stvarni život ovisi o:

Tvrdoća bakra

Debljina trake

Razmak rezanja

Geometrija bušilice

Die material

Premazivanje

Brzina pritiska

Podmazivanje

Geometrija dijela

Interval održavanja

Alat se stoga treba nadzirati kroz definirane granice trošenja i kriterije-preventivnog održavanja umjesto oslanjanja samo na akumulirani broj udaraca.

 

 

Pouzdan proces razvoja SiC sabirnica treba koristiti i simulaciju i fizička mjerenja.

 

Inženjerski slijed može se strukturirati kao:

 

Električna arhitektura → 3D raspored sabirnica → Elektromagnetska simulacija → Toplinska simulacija → DFM → Alati → Prototip → CMM → Validacija zavara → Električni test → Toplinski test → PPAP

 

Kritična točka je da izmjereni sklop mora biti u korelaciji s izvornim električnim modelom.

 

Simulirana petlja od 8 nH nije dovoljna ako proizvedeni sklop ima 18 nH zbog geometrije terminala, hardvera za montažu ili prijelaza konektora koji su isključeni iz modela.

 

 

Model bi trebao uključivati:

 

Bakreni vodiči

Terminalni prijelazi

Zavarena područja

Spojne točke kondenzatora

Sučelje poluvodičkog modula

Pričvršćivači tamo gdje su električni relevantni

Povratni put

Struktura senzora gdje utječe na distribuciju struje

 

Za-analizu visokih frekvencija, potpuni 3D elektromagnetski model je bolji od jednostavnog izračuna istosmjernog otpora

 

 

Mjerenje otpora treba koristiti metodu Kelvinovih četiri{0}}žice kada se karakterizira mali otpor.

Mjerenja trebaju specificirati:

 

Ispitna struja

Mjerne točke

Temperatura okoline

Temperatura sabirnice

Vrijeme stabilizacije

Konfiguracija kontakta

 

Budući da se otpor bakra mijenja s temperaturom, podaci o otporu bez definirane ispitne temperature imaju ograničenu inženjersku vrijednost.

 

 

Prilagođenu bakrenu sabirnicu za aplikacije EV Drive treba tretirati kao elektromagnetski, toplinski i mehanički sklop, a ne bakrenu komponentu.

 

Za SiC vučne pretvarače, inženjerski prioriteti su mjerljivi:

<10 nH target for the defined high-frequency commutation loop
97–100% IACS bakrena vodljivost ovisno o stupnju
Otpor zgloba na kontroliranoj razini µΩ-
Lokalna toplinska sposobnost iznad 200 stupnjeva gdje to zahtijeva sustav
Definirana dielektrična čvrstoća i koordinacija izolacije
Kontrola ±0,01–0,05 mm na odabranim preciznim značajkama gdje to dizajn dopušta
Provjera dimenzija-temeljena na CMM-u
Metalografska validacija zavara
XRF plastificiranje-provjera debljine
IATF 16949 kontrole proizvodnje
Dokumentacija PPAP razine 3 ako to odredi kupac

 

Ispravna sabirnica je ona čiji električni model, toplinski model, proizvodni proces i podaci inspekcije konvergiraju prema istim zahtjevima dizajna.

 

 

Koji su dokumenti obično uključeni u paket PPAP razine 3 za EV SiC invertersku sabirnicu?

Paket PPAP razine 3 obično uključuje PSW, crteže, materijalne zapise, dimenzionalne rezultate, PFMEA, plan kontrole, tijek procesa, MSA, studije sposobnosti i primjenjiva izvješća o validaciji.

 

Koliko dugo treba alat T1 i uzorkovanje prototipa za prilagođenu bakrenu invertersku sabirnicu?

Tipični razvojni ciklus T1 može se planirati oko 20-30 dana, ovisno o geometriji, progresivnoj-složenosti matrice, priboru za zavarivanje, dostupnosti materijala i odobrenju crteža korisnika.

 

Kako se provjerava debljina posrebrenja na astezaljka bakrene sabirnice?

Debljina posrebrenog sloja obično se provjerava XRF mjerenjem na definiranim mjestima pregleda. Crtež treba specificirati zahtjeve za minimalnu debljinu, područje mjerenja, supstrat i donju ploču.