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

SiC inverterska sabirnica nije samo provodnik niskog{0}}otpora. Tokom visoko-prekidanja, sabirnica čini dio komutacijske petlje, a njena parazitna induktivnost direktno doprinosi prekoračenju napona prema V=L × di/dt. Za EV vučne invertore, praktičan cilj dizajna je često održavanje puta visoke-komutacije ispod 10 nH, uz održavanje kontroliranog puzanja, klirensa, porasta temperature i mehaničke tolerancije.

 

Za prilagođeni sklop sabirnice SiC invertera, električni, termički i mehanički dizajn se stoga moraju razviti kao jedna struktura: izbor bakra C1100, laminirana geometrija, dielektrična izolacija, lasersko ili otporno zavarivanje, DC-Integracija kondenzatora veze i trenutno{2}}pozicioniranje senzora struje sve utječe na konačnu performansu sklopne petlje{3}.
 

 

 

SiC MOSFET-ovi se mogu prebaciti znatno brže od konvencionalnih silikonskih IGBT-ova. Rezultirajući visoki di/dt izlaže parazitsku induktivnost koja je možda imala ograničen uticaj u nižim-stepenima snage niže frekvencije.

 

Inducirani napon se može izraziti kao:

 

Vₗ=Lₚ × di/dt

gdje:

Vₗ=parazitski induktivni napon
Lₚ=parazitska induktivnost petlje
di/dt=trenutna stopa rasta

 

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

 

Smanjenje površine fizičke petlje i suprotstavljenih magnetnih polja unutar skupa sabirnica mogu stoga smanjiti preklapanje bez povećanja napona poluvodiča.

 

 

C1100/C11000 bakar bez kiseonika-ili elektrolitički otporan-bakar naširoko se koristi za konstrukciju sabirnica velike-te struje zbog svoje visoke električne provodljivosti i sposobnosti formiranja.

 

Materijal	Tipična provodljivost	Glavna prednost	Tipična primjena sabirnica
C1100 Bakar	~97–100% IACS	Nizak DC otpor	DC-Link i strujni put invertera
C1020 Bakar{1}bez kiseonika	~100% IACS	Visoka provodljivost, nizak sadržaj kiseonika	Energetska{0}}elektronika velike struje
C2680 Mesing	~25–30% IACS	Veća čvrstoća, mogućnost oblikovanja	Terminali, nosači, hardver
Aluminijum 6061	~40% IACS	Mala gustina, strukturna čvrstoća	Provodnici{0}}osjetljivi na težinu

 

Za -SiC inverter velike struje, C1100 bakar se obično bira za primarni strujni put, dok se mesing ili pozlaćeni čelik mogu koristiti za mehaničke montažne komponente gdje je električna provodljivost sekundarna.

 

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

RMS struja
pulsna struja
radni ciklus
dozvoljeni porast temperature
temperatura okoline
interfejs za hlađenje
širina i debljina provodnika
efekat blizine
otpor zglobova
debljina oplata

 

 

Laminirana sabirnica sadrži više vodljivih slojeva razdvojenih dielektričnim materijalom. Dimenzionalne varijacije u svakom sloju bakra akumuliraju se na montažnim rupama, terminalnim sučeljima i priključnim točkama kondenzatora.

 

Za precizne komponente, kontrola dimenzija se može uspostaviti kroz:

Progresivno štancanje
CNC sekundarna obrada
U-zakivanje
Kovanje
Precizno savijanje
Lasersko podrezivanje
CMM inspekcija

U zavisnosti od geometrije, tolerancija dimenzija od ±0,01–0,05 mm može se postići na kontrolisanim karakteristikama, dok se ukupna tolerancija -dela mora definisati prema debljini materijala, radijusu savijanja i stanju alata.

 

Inženjerski crtež treba razlikovati između:

 

Dimenzije električnog interfejsa
Mehaničke dimenzije lociranja
Ne-nefunkcionalne dimenzije
Zahtjevi za ravnost
Tolerancija položaja rupe
Zahtjevi datuma zavarivanja

 

 

 

Najefikasnija struktura niske{0}}induktivnosti općenito se postiže postavljanjem izlaznih i povratnih strujnih putanja fizički blizu jedna drugoj.

 

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

 

Cu (+) / Dielektrik / Cu (−)

 

Suprotni smjerovi struja stvaraju djelomično poništavajuća magnetna polja. Ovo smanjuje površinu petlje i stoga smanjuje parazitsku induktivnost.

 

Za projektovanje sabirnica visoke-primjerice, sljedeći parametri zahtijevaju električnu simulaciju i fizičku provjeru:

Razmak provodnika
Debljina bakra
Raspored slojeva
Geometrija terminala
Smjer struje
Područje preklapanja
Lokacija preko ili vijka
DC-Udaljenost kondenzatora veze
Udaljenost poluvodičkog modula
Lokacija senzora
Stambena dozvola
 

 

Povećanje debljine bakra smanjuje DC otpor, ali ne proizvodi automatski najnižu induktivnost sklopne{0}}petlje.

 

Bakarna ploča od 5 mm-i dalje može pokazati preveliku induktivnost petlje ako su pozitivni i negativni provodnici fizički odvojeni.

 

Parametar dizajna	Niska{0}}Smjer induktivnosti	Električni razlog
Pozitivan/negativan razmak	Minimizirajte	Smanjuje površinu petlje
Trenutno{0}}preklapanje putanje	Maksimiziraj	Poboljšava poništavanje magnetnog{0}}polja
DC-Udaljenost kondenzatora veze	Minimizirajte	Skraćuje komutacionu petlju
Terminalna tranzicija	Compact	Smanjuje lokalni induktivni diskontinuitet
Debljina bakra	Optimizujte	Kontrolira otpornost i termičko opterećenje
Bends	Minimizirajte nagle prelaze	Smanjuje trenutnu gužvu
Lokacije pričvršćivača	Blizu trenutnog interfejsa	Ograničava impedanciju zgloba

 

Praktični cilj dizajna treba da se utvrdi na osnovu brzine prebacivanja pretvarača, napona poluprovodnika, dozvoljenog prekoračenja i izmerenog talasnog oblika komutacije, a ne iz opšteg broja induktivnosti.

 

 

Dielektrični sloj između bakrenih provodnika mora izdržati i kontinuirani jednosmjerni napon i ponavljajuće prelazne procese prebacivanja.

 

Tipične varijable dizajna izolacije uključuju:

 

PET film
PI film
Epoksidni praškasti premaz
Poliimidni sistemi
Oblikovane izolacijske konstrukcije

 

Potrebni nivo dielektrične otpornosti zavisi od napona sistema, prelaznog napona, debljine izolacije, puzanja, klirensa i uslova okoline.

 

A material specification such as dielectric breakdown strength >15 kV/mm ne treba tretirati kao kompletan izolacioni projekat. Gotov sklop također mora biti potvrđen za dielektričnu otpornost, djelomično pražnjenje gdje je primjenjivo, termičko starenje i mehanički integritet.

 

 

Za EV inverter koji radi na nekoliko stotina volti DC, razmak izolacije se ne može odrediti samo iz debljine premaza.

Dizajn treba uzeti u obzir:

 

Radni napon
Kategorija prenapona
Stepen zagađenja
Grupa materijala
Visina
CTI
Puzna udaljenost
Razmak
Prelazna amplituda

 

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

 

Zatražite besplatnu DFM evaluaciju i ponudu

 

 

SiC invertorska sabirnica može raditi na umjerenoj prosječnoj temperaturi dok razvija lokalizovane žarišne tačke iznad 200 stepeni u blizini terminala, zavarenih spojeva ili uskih strujnih prelaza.

 

Termalni problem je često uzrokovan lokaliziranim otporom, a ne nedovoljnim ukupnim poprečnim{0}} presjekom bakra.

Zagrijavanje u džulu slijedi:

 

P = I²R

Malo povećanje otpora zgloba proizvodi nesrazmjerno veći porast temperature pri velikoj struji.

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

 

P = 500² × 0.0001 = 25 W

Tih 25 W koncentrisano je na relativno malom interfejsu, a ne raspoređeno po čitavoj bakrenoj sabirnici.

 

 

Za sklopove sabirnica jake{0}}strujne otpornosti spojeva treba kontrolisati kroz procesne mogućnosti, a ne samo vizuelnu inspekciju.

Primjenjive tehnologije spajanja uključuju:

 

Lasersko zavarivanje

Otporno zavarivanje

TIG zavarivanje

Lemljenje

Molekularno difuzijsko zavarivanje

Vijčani električni spojevi

Zakovani provodni interfejsi

 

Metoda spajanja	Tipična snaga	Zona{0}}zahvaćena toplotom	Dimenzionalna kontrola	Prikladna aplikacija
Lasersko zavarivanje	Visoko	Nisko	Visoko	Cu sabirnički terminali
Otporno zavarivanje	Visoko	Lokalizirano	Visoko	Jezici i tanki provodnici
Lemljenje u peći	Visoko	Široka toplotna izloženost	Srednje	Kompleksni bakarni sklopovi
Molekularno difuzijsko zavarivanje	Veoma visok kvalitet interfejsa	Veoma nisko	Visoko	Precizne laminirane konstrukcije
Vijčani spoj	Mehanički servisiran	Nema	Srednje	Uklonjivi priključci

 

Za lasersko zavarivanje bakra-na-bakar, apsorpcija zraka je znatno niža nego kod mnogih čelika. Stanje površine, talasna dužina, gustina snage, zaštitni gas, zazor u spojevima i ekstrakcija toplote stoga zahtevaju razvoj procesa.

 

 

Program validacije proizvodnje treba da kombinuje merenja dimenzija i toplote.

Tipična sekvenca validacije uključuje:

 

CMM kontrola položaja i ravnosti terminala.

Četvorožično mjerenje otpora električnih spojeva.

Termopar ili RTD mjerenje na definiranim lokacijama.

Infracrvena termovizija pod reprezentativnom strujom.

Termalni biciklizam.

Ispitivanje dielektrične otpornosti.

Inspekcija poprečnog presjeka zavarenih{0}}vara.

Ispitivanje destruktivnog povlačenja ili smicanja gdje je primjenjivo.

 

Termičko snimanje ne bi trebalo koristiti kao jedini metod prihvatanja jer emisivnost značajno varira između golog bakra, bakra sa plastificiranim slojem, premaza i oksidiranih površina.

 

 

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

 

Ponavljano kruženje temperature stoga stvara mehanički stres na:

zavareni interfejsi
zakovana sučelja
granice premaza
terminalni vijci
kondenzatorski interfejsi
tačke ugradnje senzora

 

Sloj sabirnica treba biti dizajniran tako da termička ekspanzija ne prenosi preveliki napon na terminale kondenzatora DC-linka ili poluvodički modul invertera.

 

 

 

Integracija sabirnice sa kondenzatorom DC-veze i senzorom struje može skratiti strujnu petlju i smanjiti broj sklopova.

Međutim, mehanička integracija uvodi dodatna ograničenja.

 

Sabirnica mora istovremeno zadovoljiti:

Kapacitet električne struje
Niska lutajuća induktivnost
Poravnavanje terminala kondenzatora
Poravnavanje otvora senzora
Kontrola magnetnog{0}}polja
Puzna staza i klirens
Interfejs kućišta
Tolerancija montaže
Upotrebljivost

 

 

DC-kondenzator veze treba da bude postavljen što je moguće bliže stepenu preklopne snage.

 

Cilj je minimizirati visoko-komutirajuću petlju:

 

DC-Kondenzator veze → pozitivna sabirnica → SiC modul → negativna sabirnica → DC-Kondenzator veze

 

Povećanje fizičke udaljenosti između ovih elemenata povećava dužinu provodnika i površinu petlje.

 

Iz tog razloga, sabirnica koja je električni niskog-otpora, ali fizički duga, može raditi lošije tokom brzog SiC prebacivanja od malo otpornijeg, ali čvrsto laminiranog dizajna.

 

 

Trenutni senzori mogu koristiti Hall-efekat, fluxgate, šant ili druge senzorske tehnologije.

 

Geometrija sabirnice oko senzora mora održavati kontroliranu:

 

Položaj dirigenta
Zazor otvora senzora
Simetrija magnetnog{0}}polja
Mehanička fiksacija
Izolacijski razmak
Toplotna izolacija

 

Za sistem mjerenja struje zasnovan na šantu, otpor i temperaturni koeficijent šanta su dio arhitekture mjerenja.

 

Za senzore magnetne struje, položaj provodnika u odnosu na senzorski element može uticati na magnetsko polje koje senzor vidi.

 

Crtež sabirnica bi stoga trebao uključivati ​​eksplicitne referentne točke senzora umjesto da se oslanja na opštu toleranciju montaže.

 

 

Kvaliteta laserskog zavarivanja uvelike ovisi o geometriji spoja.

 

Za sklopove bakrenih sabirnica, procesni prozor treba da kontroliše:

 

Zglobni jaz

Čistoća površine

Debljina bakra

Plating condition

Laserska snaga

Brzina zavarivanja

Prečnik grede

Položaj fokusa

Zaštitni gas

Pritisak stezanja

 

Stabilan zavar bi trebao biti potvrđen metalografskim poprečnim-osjecima, a ne samo vizuelnim izgledom.

 

Preuzmite specifikaciju dizajna sabirnice

 

 

Za automobilske programe, električne performanse same po sebi ne utvrđuju spremnost za proizvodnju.

 

Paket za validaciju proizvodnje može uključivati:

DFMEA

PFMEA

Plan kontrole

Dijagram toka procesa

MSA

SPC

Studije sposobnosti

Izvještaj o kontroli dimenzija

Certifikati materijala

Validacija zavarivanja

Podaci o električnom otporu

Rezultati dielektrične otpornosti

Rezultati termičkog ispitivanja

Informacije o materijalu u vezi sa IMDS-ima gdje je primjenjivo

Specifikacija pakovanja

Evidencija sljedivosti

 

 

Prije masovne proizvodnje treba identificirati kritične{0}}za-karakteristike kvaliteta.

 

Tipične CTQ karakteristike uključuju:

Položaj rupe
Ravnost terminala
Debljina bakra
Debljina izolacije
Probijanje zavara
Snaga zavarivanja
Otpor zglobova
Debljina prevlake
Dielektrična otpornost
Poravnavanje senzora

 

Za stabilan proces masovne{0}}proizvodnje, kupci mogu specificirati Cpk veću ili jednaku 1,33 ili veću vrijednost za određene kritične karakteristike.

Stvarni zahtjev bi trebao slijediti kupčev dogovor o kvaliteti i plan kontrole umjesto primjene jednog univerzalnog praga sposobnosti.

 

 

Tamo gdje su specificirani posrebreni{0}} interfejsi, debljinu prevlake treba provjeriti korištenjem odgovarajuće metode mjerenja kao što je XRF.

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

Specifikacija osnovnog materijala

Specifikacija donje ploče

Minimalna lokalna debljina

Mjerne lokacije

Priprema površine

Zahtjev za adheziju

Zahtjev protiv korozije

Za bakrene sabirnice, oplata se obično primjenjuje na definirane električne kontaktne površine, a ne automatski na cijelu komponentu.

 

 

Podaci o materijalima pružaju polaznu tačku. Validacija proizvodnje mora procijeniti gotovu sabirnicu.

Program testiranja može uključivati:

 

Test	Primary Purpose	Tipična kontrolna tačka
Dielektrična otpornost	Električna izolacija	Nema kvara
Otpor izolacije	Kontrola curenja	Specifikacija kupaca
Otpor zglobova	Električni gubitak	µΩ-mjerenje nivoa
Toplotni porast	Generisanje toplote	Definirana struja/opterećenje
Presjek zavarivanja	Kvalitet fuzije	Kriterijumi penetracije/defekta
CMM inspekcija	Dimenzionalna usklađenost	Tolerancija crteža
Debljina prevlake	Trajnost kontakta	XRF mjerenje
Termalni biciklizam	Trajnost ekspanzije	Definisani temperaturni profil
Vibracije	Mehanička izdržljivost	Profil vozila/sistema

 

 

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

 

Tipičan lanac sljedivosti je:

 

Bakarna zavojnica → Lot za štancanje → Oblikovanje → Zavarivanje → Čišćenje → Izolacija → Polaganje → Montaža → Električni test → Završna inspekcija

Podaci o procesu se zatim mogu povezati sa proizvodnom serijom, mašinom, stanjem alata, operaterom i zapisom o inspekciji.

 

 

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

 

Prije proizvodnje kalupa, inženjerski pregled bi trebao ocijeniti:

Raspored trake

Korištenje materijala

Smjer zrna

Redoslijed savijanja

Springback

Piercing load

Opterećenje formiranja

Izbor alatnog čelika

Površine za habanje

Smjer burr

Datum strategije

Uređaj za zavarivanje

Uređaj za inspekciju

 

Za bakrene sabirnice, smjer bušenja može biti električni i mehanički značajan tamo gdje se utisnuta ivica nalazi blizu izolacije ili drugog vodiča.

 

 

Vijek trajanja alata ne može se garantirati iz generičkog broja hoda.

Stvarni život zavisi od:

Tvrdoća bakra

Debljina trake

Razmak rezanja

Geometrija bušenja

Materijal matrice

Premazivanje

Brzina pritiska

Podmazivanje

Geometrija dijela

Interval održavanja

Alat se stoga treba nadzirati kroz definirana ograničenja habanja i kriterije preventivnog{0}}održavanja, a ne oslanjati se samo na akumulirani broj udaraca.

 

 

Pouzdan proces razvoja SiC sabirnica trebao bi koristiti i simulaciju i fizičko mjerenje.

 

Inženjerski slijed može biti strukturiran na sljedeći način:

 

Električna arhitektura → 3D raspored sabirnica → Elektromagnetska simulacija → Termička simulacija → DFM → Alat → Prototip → CMM → Validacija zavare → Električni test → Termički test → PPAP

 

Kritična tačka je da izmjereni sklop mora biti u korelaciji s originalnim 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 treba da sadrži:

 

Bakarni provodnici

Terminalni prijelazi

Zavarene regije

Priključne tačke kondenzatora

Interfejs poluprovodničkog modula

Pričvršćivači gdje su električki relevantni

Povratni put

Struktura senzora gdje utiče na distribuciju struje

 

Za visoko{0}}analizu, potpuni 3D elektromagnetski model je poželjniji od jednostavnog izračuna DC otpora

 

 

Mjerenje otpora bi trebalo koristiti metodu Kelvinove četiri{0}}žice gdje se karakteriše nizak otpor.

Mjerenja trebaju specificirati:

 

Ispitna struja

Mjerne tačke

Temperatura okoline

Temperatura sabirnice

Vrijeme stabilizacije

Konfiguracija kontakta

 

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

 

 

Prilagođenu bakrenu sabirnicu za aplikacije EV pogona treba tretirati kao elektromagnetni, termalni i mehanički sklop, a ne kao žigosanu bakarnu komponentu.

 

Za SiC vučne pretvarače, inženjerski prioriteti su mjerljivi:

<10 nH target for the defined high-frequency commutation loop
97–100% IACS provodljivosti bakra u zavisnosti od klase
Kontrolisani otpor spoja na nivou µΩ-
Lokalna termička sposobnost iznad 200 stepeni gde to zahteva sistem
Definirana dielektrična čvrstoća i koordinacija izolacije
Kontrola ±0,01–0,05 mm na odabranim preciznim karakteristikama gdje to dizajn dozvoljava
CMM{0}}potvrda dimenzija
Metalografska validacija zavara
XRF potvrda{0}}debljine
IATF 16949 kontrole proizvodnje
PPAP nivo 3 dokumentacija kada je odredio kupac

 

Ispravna sabirnica je ona čiji električni model, termalni model, proizvodni proces i podaci o inspekciji konvergiraju prema istim zahtjevima dizajna.

 

 

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

Paket PPAP nivoa 3 obično uključuje PSW, crteže, zapise materijala, rezultate dimenzija, PFMEA, kontrolni plan, tok procesa, MSA, studije sposobnosti i primjenjive izvještaje o validaciji.

 

Koliko dugo traje T1 alat i uzorkovanje prototipa za prilagođenu sabirnicu sa inverterom od bakra?

Tipičan razvojni ciklus T1 može se planirati oko 20-30 dana, u zavisnosti od geometrije, progresivne-složenosti matrice, uređaja za zavarivanje, dostupnosti materijala i odobrenja crteža od strane kupca.

 

Kako se provjerava debljina posrebrenosti na abakreni sabirnički terminal?

Debljina posrebrenog sloja se obično verifikuje XRF merenjem na definisanim lokacijama za inspekciju. Crtež treba da specificira minimalnu debljinu, mjernu površinu, zahtjeve za podlogu i podlogu.