Preklop inverterja SiC pri 10–100 kHz: Zakaj so paraziti zbiralk pomembni

Inverterska zbiralka SiC ni le prevodnik z-nizkim uporom. Med visokofrekvenčnim preklopom tvori zbiralka del komutacijske zanke in njena parazitska induktivnost neposredno prispeva k prekoračitvi napetosti glede na V=L × di/dt. Pri vlečnih pretvornikih EV je praktičen cilj načrtovanja pogosto ohraniti komutacijsko pot visokega-toka pod 10 nH, hkrati pa ohraniti nadzorovano lezenje, zračnost, dvig temperature in mehansko toleranco.

 

Za sestav zbiralke inverterja SiC po meri je treba električno, toplotno in mehansko zasnovo razviti kot eno strukturo: izbor bakra C1100, laminirana geometrija, dielektrična izolacija, lasersko ali uporovno varjenje, integracija DC-kondenzatorja povezave in pozicioniranje tokovnega-senzorja vplivajo na končno preklopno-zmogljivost zanke.
 

 

 

SiC MOSFET-ji lahko preklapljajo bistveno hitreje kot običajni silicijevi IGBT-ji. Posledično visok di/dt izpostavlja parazitsko induktivnost, ki je morda imela omejen vpliv v nižjih-frekvenčnih stopnjah moči.

 

Inducirano napetost lahko izrazimo kot:

 

Vₗ=Lₚ × di/dt

kje:

Vₗ=parazitska induktivna napetost
Lₚ=induktivnost parazitske zanke
di/dt=trenutna stopnja naraščanja

 

Na primer, če ima komutacijska zanka 20 nH parazitske induktivnosti in se tok spreminja pri 2 kA/µs, je prispevek induktivne napetosti približno 40 V.

 

Zmanjšanje površine fizične zanke in nasprotnih magnetnih polj znotraj sklada zbiralk lahko torej zmanjša prekoračitev preklapljanja brez povečanja nazivne polprevodniške napetosti.

 

 

C1100/C11000 brez{2}}kisika ali elektrolitsko žilav-smolni baker se zaradi svoje visoke električne prevodnosti in zmožnosti oblikovanja pogosto uporablja za visoko{4}}tokovne konstrukcije zbiralk.

 

Material	Tipična prevodnost	Glavna prednost	Tipična uporaba zbiralke
C1100 baker	~97–100 % IACS	Nizka enosmerna upornost	DC-povezava in napajalna pot pretvornika
C1020 Baker-brez kisika	~100 % IACS	Visoka prevodnost, nizka vsebnost kisika	Visok{0}}elektronika moči
C2680 medenina	~25–30 % IACS	Večja trdnost, sposobnost oblikovanja	Terminali, nosilci, strojna oprema
Aluminij 6061	~40 % IACS	Nizka gostota, strukturna trdnost	Na težo-občutljivi vodniki

 

Za visoko{0}}tokovni pretvornik SiC je baker C1100 običajno izbran za primarno tokovno pot, medtem ko se lahko za mehanske komponente za pritrditev, kjer je električna prevodnost sekundarna, uporabi medenina ali galvansko jeklo.

 

Debelina bakra ni izbrana samo iz trenutne ocene. Zasnova mora upoštevati:

RMS tok
impulzni tok
delovni cikel
dovoljen dvig temperature
temperatura okolja
hladilni vmesnik
širina in debelina vodnika
učinek bližine
odpornost sklepov
debelina obloge

 

 

Laminirana zbiralka vsebuje več prevodnih plasti, ločenih z dielektričnim materialom. Dimenzijske razlike v vsaki bakreni plasti se kopičijo na montažnih luknjah, terminalskih vmesnikih in priključnih točkah kondenzatorja.

 

Za precizne komponente je mogoče nadzor dimenzij vzpostaviti z:

Progresivno žigosanje
CNC sekundarna obdelava
Pri -kovičenju
Kovanje
Natančno upogibanje
Lasersko obrezovanje
Pregled CMM

Odvisno od geometrije je na nadzorovanih elementih mogoče doseči dimenzijsko toleranco ±0,01–0,05 mm, medtem ko mora biti toleranca celotnega oblikovanega-dela definirana glede na debelino materiala, polmer krivine in stanje orodja.

 

Tehnična risba mora razlikovati med:

 

Mere električnega vmesnika
Mere mehanskega lociranja
Ne-funkcionalne dimenzije
Zahteve glede ravnosti
Toleranca položaja luknje
Zahteve glede varjenja

 

 

 

Najučinkovitejšo strukturo z nizko{0}}induktivnostjo na splošno dosežemo tako, da postavimo odhodne in povratne tokovne poti fizično blizu druga drugi.

 

Laminirana struktura lahko postavi pozitivne in negativne prevodnike v sosednje plasti:

 

Cu (+) / Dielektrik / Cu (-)

 

Nasprotne smeri toka ustvarjajo magnetna polja, ki delno izničijo. To zmanjša površino zanke in s tem zmanjša parazitsko induktivnost.

 

Za -zasnovo visokofrekvenčne zbiralke naslednji parametri zahtevajo električno simulacijo in fizično preverjanje:

Razmik vodnikov
Debelina bakra
Razporeditev plasti
Geometrija terminala
Trenutna smer
Območje prekrivanja
Lokacija prek ali vijaka
DC-razdalja kondenzatorja povezave
Razdalja polprevodniškega modula
Lokacija senzorja
Čiščenje stanovanja
 

 

Povečanje debeline bakra zmanjša upornost enosmernega toka, vendar ne povzroči samodejno najnižje induktivnosti -preklopne zanke.

 

5 mm-debela bakrena plošča lahko še vedno kaže prekomerno induktivnost zanke, če sta pozitivni in negativni prevodnik fizično ločena.

 

Parameter oblikovanja	Smer nizke-induktivnosti	Električni razlog
Pozitivni/negativni razmik	Zmanjšaj	Zmanjša površino zanke
Trenutna-prekrivanje poti	Povečaj	Izboljša izničenje-magnetnega polja
DC-razdalja kondenzatorja povezave	Zmanjšaj	Skrajša komutacijsko zanko
Terminalni prehod	Kompakten	Zmanjša lokalno induktivno prekinitev
Debelina bakra	Optimiziraj	Nadzoruje odpornost in toplotno obremenitev
Upogibi	Zmanjšajte nenadne prehode	Zmanjša trenutno gnečo
Lokacije pritrdilnih elementov	Blizu trenutnega vmesnika	Omejuje impedanco sklepov

 

Praktični cilj zasnove je treba določiti iz preklopne hitrosti razsmernika, nazivne polprevodniške napetosti, dovoljene prekoračitve in izmerjene komutacijske valovne oblike in ne iz splošnega induktivnega števila.

 

 

Dielektrična plast med bakrenimi vodniki mora vzdržati neprekinjeno enosmerno napetost in ponavljajoče se preklopne prehode.

 

Tipične spremenljivke zasnove izolacije vključujejo:

 

PET folija
PI film
Epoksi praškasti premaz
Poliimidni sistemi
Oblikovane izolacijske konstrukcije

 

Zahtevana stopnja dielektrične odpornosti je odvisna od sistemske napetosti, prehodne napetosti, debeline izolacije, lezenja, zračnosti in okoljskih pogojev.

 

A material specification such as dielectric breakdown strength >15 kV/mm se ne sme obravnavati kot popolna zasnova izolacije. Končni sestav mora biti validiran tudi glede dielektrične odpornosti, delne razelektritve, kjer je primerno, toplotnega staranja in mehanske celovitosti.

 

 

Pri pretvorniku EV, ki deluje pri več sto voltih enosmernega toka, izolacijskega razmika ni mogoče določiti zgolj na podlagi debeline prevleke.

Zasnova mora upoštevati:

 

Delovna napetost
Kategorija prenapetosti
Stopnja onesnaženosti
Materialna skupina
Nadmorska višina
CTI
Plazna pot
Varna razdalja
Preklopna prehodna amplituda

 

UL 94 V-0 lahko opredeljuje učinkovitost vnetljivosti za izolacijski material, vendar ne nadomešča koordinacije električne izolacije v skladu z veljavnimi sistemskimi zahtevami, kot je IEC 60664-1.

 

Zahtevajte brezplačno oceno in ponudbo DFM

 

 

Inverterska zbiralka SiC lahko deluje pri zmerni povprečni temperaturi, medtem ko razvija lokalizirane vroče točke nad 200 stopinj v bližini sponk, varjenih spojev ali ozkih tokovnih prehodov.

 

Težavo s toploto pogosto povzroči lokalizirana upornost in ne nezadosten skupni presek-bakra.

Joule segrevanje sledi:

 

P = I²R

Majhno povečanje upora spoja povzroči nesorazmerno večji dvig temperature pri visokem toku.

Na primer, pri 500 A upor spoja samo 100 µΩ povzroči:

 

P = 500² × 0.0001 = 25 W

Teh 25 W je koncentriranih na sorazmerno majhnem vmesniku, ne pa porazdeljenih po celotnem bakrenem vodilu.

 

 

Pri visoko{0}}tokovnih sklopih zbiralk je treba upornost spoja nadzorovati s pomočjo procesne zmogljivosti in ne samo z vizualnim pregledom.

Uporabne tehnologije spajanja vključujejo:

 

Lasersko varjenje

Uporovno varjenje

TIG varjenje

Spajkanje

Molekularno difuzijsko varjenje

Vijačni električni spoji

Zakovičeni prevodni vmesniki

 

Način pridruževanja	Tipična trdnost	Območje,-prizadeto zaradi vročine	Nadzor dimenzij	Primerna aplikacija
Lasersko varjenje	visoko	Nizka	visoko	Cu zbiralne sponke
Uporovno varjenje	visoko	Lokalizirano	visoko	Zavihki in tanki vodniki
Trdo spajkanje v peči	visoko	Široka toplotna izpostavljenost	Srednje	Kompleksni bakreni sklopi
Molekularno difuzijsko varjenje	Zelo visoka kakovost vmesnika	Zelo nizko	visoko	Precizne laminirane strukture
Vijačni spoj	Mehansko servisiran	Noben	Srednje	Odstranljive povezave

 

Pri laserskem varjenju baker-na-baker je absorpcija žarka znatno manjša kot pri mnogih jeklih. Stanje površine, valovna dolžina, gostota moči, zaščitni plin, spojna reža in odvzem toplote zato zahtevajo razvoj postopka.

 

 

Program validacije proizvodnje mora združevati dimenzijske in toplotne meritve.

Tipično zaporedje preverjanja vključuje:

 

CMM pregled položaja terminala in ravnosti.

Štiri{0}}merjenje upornosti električnih spojev.

Merjenje s termočlenom ali RTD na določenih lokacijah.

Infrardeče toplotne slike pod reprezentativnim tokom.

Toplotno kroženje.

Preizkušanje dielektrične odpornosti.

Pregled prereza zvara-.

Destruktivni vlečni ali strižni preskusi, kjer je primerno.

 

Toplotnega slikanja ne bi smeli uporabljati kot edino sprejemljivo metodo, ker se emisijska sposobnost med golim bakrom, prevlečenim bakrom, premazom in oksidiranimi površinami močno razlikuje.

 

 

Koeficient toplotne razteznosti bakra je približno 16,5–17 ppm/stopino. Polimerna izolacija in sosednje kovinske komponente imajo na splošno različne koeficiente.

 

Ponavljajoče se temperaturno cikliranje torej povzroči mehansko obremenitev pri:

varjeni vmesniki
kovičeni vmesniki
meje premaza
priključni vijaki
kondenzatorski vmesniki
pritrdilne točke senzorjev

 

Sklad zbiralk mora biti zasnovan tako, da toplotna ekspanzija ne prenaša prekomerne obremenitve na sponke kondenzatorja DC-Link ali polprevodniški modul pretvornika.

 

 

 

Integracija zbiralke s kondenzatorjem povezave DC-Link in senzorjem toka lahko skrajša napajalno zanko in zmanjša število sklopov.

Vendar mehanska integracija uvaja dodatne omejitve.

 

Zbiralka mora istočasno izpolnjevati:

Zmogljivost električnega toka
Nizka razpršena induktivnost
Poravnava sponk kondenzatorja
Poravnava zaslonke senzorja
Nadzor-magnetnega polja
Lezenje in zračnost
Stanovanjski vmesnik
Montažna toleranca
Servisnost

 

 

Kondenzator povezave DC-Link naj bo čim bližje stopnji preklopne moči.

 

Cilj je zmanjšati -visokofrekvenčno komutacijsko zanko:

 

DC-Povezovalni kondenzator → pozitivna zbiralka → SiC modul → negativna zbiralka → DC-Povezovalni kondenzator

 

Povečanje fizične razdalje med temi elementi poveča dolžino prevodnika in površino zanke.

 

Iz tega razloga lahko zbiralka, ki je električno nizko{0}}uporna, a fizično dolga, deluje slabše med hitrim preklapljanjem SiC kot nekoliko bolj uporovna, a tesno laminirana zasnova.

 

 

Trenutni senzorji lahko uporabljajo Hall-učinek, fluxgate, shunt ali druge tehnologije zaznavanja.

 

Geometrija zbiralke okoli senzorja mora vzdrževati nadzorovano:

 

Položaj dirigenta
Odprtina zaslonke senzorja
Simetrija-magnetnega polja
Mehanska fiksacija
Izolacijski razmik
Toplotna izolacija

 

Pri tokovnem merilnem-sistemu, ki temelji na šantu, sta upornost in temperaturni koeficient šanta del merilne arhitekture.

 

Pri senzorjih magnetnega toka lahko položaj prevodnika glede na zaznavni element vpliva na magnetno polje, ki ga vidi senzor.

 

Risba zbiralke mora zato vsebovati izrecne referenčne točke senzorja, namesto da bi se zanašala na splošno toleranco sklopa.

 

 

Kakovost laserskega varjenja je močno odvisna od geometrije spoja.

 

Za sklope bakrenih zbiralk mora procesno okno nadzorovati:

 

Skupna vrzel

Površinska čistoča

Debelina bakra

Stanje prevleke

Laserska moč

Hitrost varjenja

Premer žarka

Položaj fokusa

Zaščitni plin

Pritisk vpenjanja

 

Stabilen zvar je treba potrditi z metalografskimi-prerezi in ne samo z vizualnim videzom.

 

Prenesite specifikacijo načrtovanja zbiralke

 

 

Pri avtomobilskih programih samo električna zmogljivost ne določa pripravljenosti za proizvodnjo.

 

Paket validacije proizvodnje lahko vključuje:

DFMEA

PFMEA

Nadzorni načrt

Diagram poteka procesa

MSA

SPC

Študije zmogljivosti

Poročilo o pregledu dimenzij

Materialni certifikati

Validacija zvara

Podatki o električnem uporu

Rezultati dielektrične odpornosti

Rezultati toplotnih preskusov

IMDS-informacije o gradivu, kjer je primerno

Specifikacija pakiranja

Zapisi o sledljivosti

 

 

Pred masovno proizvodnjo je treba določiti kritične-do-karakteristike kakovosti.

 

Tipične značilnosti CTQ vključujejo:

Položaj luknje
Ravnost terminala
Debelina bakra
Debelina izolacije
Preboj zvara
Trdnost zvara
Odpor sklepov
Debelina prevleke
Dielektrična odpornost
Poravnava senzorja

 

Za stabilen proces množične-proizvodnje lahko stranke določijo Cpk Večji ali enak 1,33 ali višjo vrednost za določene kritične značilnosti.

Dejanska zahteva bi morala slediti strankinemu dogovoru o kakovosti in načrtu nadzora, namesto da bi uporabili en univerzalni prag zmogljivosti.

 

 

Kjer so določeni posrebreni vmesniki, je treba debelino prevleke preveriti z ustrezno merilno metodo, kot je XRF.

Nazivni specifikaciji, kot je nanos Ag 3–5 µm, mora spremljati:

Specifikacija osnovnega materiala

Specifikacija podlage

Najmanjša lokalna debelina

Mesta meritev

Priprava površine

Zahteva za oprijem

Zahteva proti koroziji

Pri bakrenih zbiralkah se prevleka običajno nanese na določene električne kontaktne površine in ne samodejno na celotno komponento.

 

 

Podatkovni listi o materialih so izhodišče. Validacija proizvodnje mora oceniti dokončano zbiralko.

Testni program lahko vključuje:

 

Test	Primarni namen	Tipična kontrolna točka
Dielektrična odpornost	Električna izolacija	Brez okvare
Izolacijska upornost	Nadzor puščanja	Specifikacija stranke
Odpor sklepov	Električna izguba	Merjenje ravni µΩ-
Toplotni dvig	Proizvodnja toplote	Definiran tok/obremenitev
Prerez zvara-	Kakovost fuzije	Kriteriji penetracije/napake
Pregled CMM	Dimenzijska skladnost	Toleranca risanja
Debelina prevleke	Trajnost stika	XRF meritev
Toplotno kroženje	Razširitvena vzdržljivost	Določen temperaturni profil
Vibracije	Mehanska vzdržljivost	Profil vozila/sistema

 

 

Proizvodna linija za sklope zbiralk EV mora ohranjati sledljivost od vhodnega materiala do končnega pregleda.

 

Tipična veriga sledljivosti je:

 

Bakrena tuljava → Serija za žigosanje → Oblikovanje → Varjenje → Čiščenje → Izolacija → Prevleka → Montaža → Električni preizkus → Končni pregled

Procesne podatke je nato mogoče povezati s proizvodno serijo, strojem, stanjem orodja, operaterjem in zapisom o pregledu.

 

 

Strategija orodij bi se morala začeti s končno arhitekturo sestava in ne zgolj z reprodukcijo 2D profila.

 

Pred izdelavo matrice mora inženirski pregled oceniti:

Postavitev traku

Izkoristek materiala

Smer zrn

Zaporedje upogibov

Springback

Prebojna obremenitev

Oblikovalna obremenitev

Izbira orodnega jekla

Obrabne površine

Burr smer

Datumska strategija

Naprava za varjenje

Inšpekcijska naprava

 

Pri bakrenih zbiralkah je lahko smer zareze električno in mehansko pomembna, če je vtisnjen rob blizu izolacije ali drugega prevodnika.

 

 

Življenjske dobe orodja ni mogoče zagotoviti iz splošne številke giba.

Dejansko življenje je odvisno od:

Trdota bakra

Debelina traku

Rezalna razdalja

Geometrija luknjača

Material za matrice

Premaz

Hitrost pritiska

Mazanje

Geometrija delov

Interval vzdrževanja

Orodja je zato treba spremljati z določenimi omejitvami obrabe in merili preventivnega-vzdrževanja, namesto da bi se zanašali le na skupno število udarcev.

 

 

Zanesljiv proces razvoja zbiralke SiC bi moral uporabljati simulacijo in fizične meritve.

 

Inženirsko zaporedje je lahko strukturirano kot:

 

Električna arhitektura → 3D postavitev zbiralke → Elektromagnetna simulacija → Toplotna simulacija → DFM → Orodja → Prototip → CMM → Validacija zvara → Električni test → Toplotni test → PPAP

 

Kritična točka je, da mora biti izmerjeni sklop koreliran z izvirnim električnim modelom.

 

Simulirana zanka 8 nH ne zadošča, če izdelani sklop meri 18 nH zaradi geometrije priključkov, strojne opreme za namestitev ali prehodov priključkov, ki so bili izključeni iz modela.

 

 

Model mora vsebovati:

 

Bakreni vodniki

Terminalni prehodi

Varjene regije

Priključne točke kondenzatorja

Vmesnik polprevodniškega modula

Pritrdilni elementi, če so električni pomembni

Povratna pot

Struktura senzorja, kjer vpliva na porazdelitev toka

 

Za-visokofrekvenčno analizo je popoln 3D elektromagnetni model boljši od preprostega izračuna upora enosmernega toka

 

 

Pri merjenju upora je treba uporabiti Kelvinovo štiri{0}}žično metodo, kjer je označen nizek upor.

Meritve morajo določati:

 

Testni tok

Merilne točke

Temperatura okolja

Temperatura vodila

Čas stabilizacije

Konfiguracija stika

 

Ker se odpornost bakra spreminja s temperaturo, imajo podatki o odpornosti brez določene preskusne temperature omejeno inženirsko vrednost.

 

 

Bakreno zbiralko po meri za aplikacije EV Drive je treba obravnavati kot elektromagnetni, toplotni in mehanski sklop in ne kot bakreno komponento z žigom.

 

Za vlečne pretvornike SiC so inženirske prioritete merljive:

<10 nH target for the defined high-frequency commutation loop
97–100 % prevodnost bakra IACS, odvisno od stopnje
Upor spoja na ravni µΩ-
Lokalna toplotna zmogljivost nad 200 stopinj, kjer to zahteva sistem
Definirana dielektrična trdnost in koordinacija izolacije
±0,01–0,05 mm nadzor nad izbranimi natančnimi značilnostmi, kjer to dovoljuje načrt
Mersko preverjanje-na osnovi CMM
Metalografska validacija zvarov
XRF prevleka-preverjanje debeline
IATF 16949 nadzor proizvodnje
Dokumentacija PPAP Level 3, če jo določi stranka

 

Pravilna zbiralka je tista, katere električni model, toplotni model, proizvodni proces in inšpekcijski podatki ustrezajo istim konstrukcijskim zahtevam.

 

 

Kateri dokumenti so običajno vključeni v paket PPAP ravni 3 za invertersko zbiralko EV SiC?

Paket PPAP ravni 3 običajno vključuje PSW, risbe, zapise o materialih, rezultate dimenzij, PFMEA, načrt nadzora, tok procesa, MSA, študije zmogljivosti in uporabna poročila o validaciji.

 

Kako dolgo traja orodje T1 in vzorčenje prototipa za bakreno invertersko zbiralko po meri?

Tipičen razvojni cikel T1 je mogoče načrtovati približno 20–30 dni, odvisno od geometrije, progresivne-kompleksnosti matrice, varilnih naprav, razpoložljivosti materiala in odobritve risbe stranke.

 

Kako se preveri debelina posrebrenja na abakrene zbiralke?

Debelina srebrne prevleke se običajno preverja z meritvijo XRF na določenih mestih pregleda. Risba mora navajati najmanjšo debelino, merilno območje, zahteve za podlago in podplat.