SiC инверторно превключване при 10–100 kHz: Защо паразитните шини имат значение

SiC инверторната шина не е просто проводник с ниско{0}}съпротивление. По време на високо-честотно превключване шината формира част от комутационния контур и нейната паразитна индуктивност директно допринася за превишаване на напрежението според V=L × di/dt. За тяговите инвертори на EV практическата цел при проектирането често е поддържането на комутационния път на висок-ток под 10 nH, като същевременно се поддържа контролиран път на пълзене, хлабина, повишаване на температурата и механичен толеранс.

 

Следователно за персонализиран монтаж на инверторна шина от SiC електрическият, термичният и механичният дизайн трябва да бъдат разработени като една структура: избор на мед C1100, ламинирана геометрия, диелектрична изолация, лазерно или резистентно заваряване, интегриране на DC-кондензатор за връзка и позициониране на токов-сензор, всичко това влияе върху крайната производителност на превключващата-вертика.
 

 

 

SiC MOSFET могат да превключват значително по-бързо от конвенционалните силициеви IGBT. Полученият висок di/dt излага на показ паразитна индуктивност, която може да е имала ограничено въздействие в етапите на захранване с по-ниска-честота.

 

Индуцираното напрежение може да се изрази като:

 

Vₗ=Lₚ × di/dt

където:

Vₗ=паразитно индуктивно напрежение
Lₚ=индуктивност на паразитна верига
di/dt=текуща скорост на нарастване

 

Например, ако комутационна верига има 20 nH паразитна индуктивност и токът се променя при 2 kA/µs, приносът на индуктивното напрежение е приблизително 40 V.

 

Намаляването на площта на физическата верига и противоположните магнитни полета вътре в стека на шините може следователно да намали превишаването на превключването, без да увеличава номиналното напрежение на полупроводника.

 

 

C1100/C11000 безкислородна-или електролитно здрава-смолена мед се използва широко за високотокови конструкции-на шини поради високата си електропроводимост и способност за формоване.

 

Материал	Типична проводимост	Основно предимство	Типично приложение на шина
C1100 Мед	~97–100% IACS	Ниско DC съпротивление	DC-връзка и захранващ път на инвертора
C1020 Мед без{1}}кислород	~100% IACS	Висока проводимост, ниско съдържание на кислород	Мощна-електроника с голям ток
C2680 Месинг	~25–30% IACS	По-висока якост, формоспособност	Клеми, скоби, хардуер
Алуминий 6061	~40% IACS	Ниска плътност, структурна здравина	Чувствителни{0}}тегло проводници

 

За високотоков инвертор от SiC обикновено се избира мед C1100 за първичен ток, докато месинг или стомана с покритие може да се използва за компоненти за механичен монтаж, където електрическата проводимост е вторична.

 

Дебелината на медта не се избира само от текущия рейтинг. Дизайнът трябва да отчита:

RMS ток
импулсен ток
работен цикъл
допустимо повишаване на температурата
температура на околната среда
интерфейс за охлаждане
ширина и дебелина на проводника
ефект на близост
ставно съпротивление
дебелина на обшивката

 

 

Ламинираната шина съдържа множество проводими слоеве, разделени от диелектричен материал. Промените в размерите на всеки меден слой се натрупват в монтажните отвори, терминалните интерфейси и точките на свързване на кондензатора.

 

За прецизни компоненти контролът на размерите може да се установи чрез:

Прогресивно щамповане
CNC вторична обработка
В-щанцово занитване
Сечене на монети
Прецизно огъване
Лазерно подстригване
Инспекция на CMM

В зависимост от геометрията може да се постигне толеранс на размерите от ±0,01–0,05 mm върху контролирани елементи, докато общият толеранс на формованата-част трябва да се дефинира според дебелината на материала, радиуса на огъване и състоянието на инструмента.

 

Инженерният чертеж трябва да прави разлика между:

 

Размери на електрическия интерфейс
Механични размери за локализиране
Не-функционални размери
Изисквания за плоскост
Толерантност на позицията на отвора
Изисквания за заваряване

 

 

 

Най-ефективната структура с ниска{0}}индуктивност обикновено се получава чрез поставяне на изходящи и връщащи токови пътища физически близо един до друг.

 

Ламинираната структура може да позиционира положителни и отрицателни проводници в съседни слоеве:

 

Cu (+) / диелектрик / Cu (−)

 

Противоположните посоки на тока генерират частично анулиращи магнитни полета. Това намалява площта на веригата и следователно намалява паразитната индуктивност.

 

За -проектиране на високочестотна шина следните параметри изискват електрическа симулация и физическа проверка:

Разстояние между проводниците
Дебелина на медта
Подреждане на слоеве
Терминална геометрия
Текуща посока
Зона на припокриване
Местоположение на преход или болт
DC-Разстояние на кондензатора на връзката
Разстояние между полупроводникови модули
Местоположение на сензора
Разчистване на жилища
 

 

Увеличаването на дебелината на медта намалява съпротивлението на постоянен ток, но не води автоматично до най-ниската индуктивност на комутационния-контур.

 

Медна плоча с дебелина 5 mm- все още може да показва прекомерна индуктивност на веригата, ако положителните и отрицателните проводници са физически разделени.

 

Параметър на дизайна	Ниска{0}}посока на индуктивност	Електрическа причина
Положително/отрицателно разстояние	Минимизиране	Намалява площта на контура
Настоящ-път се припокрива	Увеличете максимално	Подобрява анулирането-на магнитното поле
DC-Разстояние на кондензатора на връзката	Минимизиране	Скъсява комутационния цикъл
Терминален преход	Компактен	Намалява локалното индуктивно прекъсване
Дебелина на медта	Оптимизиране	Контролира съпротивлението и термичното натоварване
Завои	Минимизирайте резките преходи	Намалява текущото струпване
Местоположение на крепежни елементи	Близо до текущия интерфейс	Ограничава импеданса на ставата

 

Практическата проектна цел трябва да се установи от скоростта на превключване на инвертора, номиналното напрежение на полупроводника, допустимото превишаване и измерената комутационна форма на вълната, а не от общото число на индуктивността.

 

 

Диелектричният слой между медните проводници трябва да издържа както на непрекъснато постоянно напрежение, така и на повтарящи се преходни процеси на превключване.

 

Типичните променливи на дизайна на изолацията включват:

 

PET фолио
PI филм
Епоксидно прахово покритие
Полиимидни системи
Формовани изолационни конструкции

 

Изискваното ниво на устойчивост на диелектрик зависи от системното напрежение, преходното напрежение, дебелината на изолацията, пътя на пълзене, хлабината и условията на околната среда.

 

A material specification such as dielectric breakdown strength >15 kV/mm не трябва да се третират като цялостен дизайн на изолацията. Завършеният комплект трябва също да бъде валидиран за диелектрична устойчивост, частичен разряд, където е приложимо, термично стареене и механична цялост.

 

 

За EV инвертор, работещ на няколкостотин волта DC, изолационното разстояние не може да се определи само от дебелината на покритието.

Дизайнът трябва да вземе предвид:

 

Работно напрежение
Категория на пренапрежение
Степен на замърсяване
Материална група
Надморска височина
CTI
Пълзящо разстояние
Свободно разстояние
Превключваща преходна амплитуда

 

UL 94 V-0 може да определи характеристиките на запалимост за изолационен материал, но не замества координацията на електрическата изолация съгласно приложимите системни изисквания като IEC 60664-1.

 

Поискайте безплатна DFM оценка и оферта

 

 

SiC инверторна шина може да работи при умерена средна температура, докато развива локализирани горещи точки над 200 градуса в близост до терминали, заварени съединения или тесни токови преходи.

 

Топлинният проблем често се причинява от локализирано съпротивление, а не от недостатъчно общо медно напречно сечение-.

Джаулово нагряване следва:

 

P = I²R

Малко увеличение на съпротивлението на съединението води до непропорционално по-голямо повишаване на температурата при висок ток.

Например, при 500 A съпротивлението на съединението от само 100 µΩ произвежда:

 

P = 500² × 0.0001 = 25 W

Тези 25 W са концентрирани в сравнително малък интерфейс, а не разпределени по цялата медна шина.

 

 

За възли на шини с висок{0}}ток съпротивлението на съединението трябва да се контролира чрез възможностите на процеса, а не само чрез визуална проверка.

Приложимите технологии за свързване включват:

 

Лазерно заваряване

Съпротивително заваряване

TIG заваряване

Запояване

Молекулярно дифузионно заваряване

Болтови електрически съединения

Занитени проводими интерфейси

 

Метод на присъединяване	Типична сила	Зона-засегната от топлина	Контрол на размерите	Подходящо приложение
Лазерно заваряване	високо	ниско	високо	Cu шинни клеми
Съпротивително заваряване	високо	Локализиран	високо	Езици и тънки проводници
Спояване в пещ	високо	Широка термична експозиция	Среден	Сложни медни възли
Молекулярно дифузионно заваряване	Много високо качество на интерфейса	Много ниско	високо	Прецизни ламинирани конструкции
Болтова връзка	Механично изправно	Няма	Среден	Подвижни връзки

 

При лазерно заваряване на мед-към-мед поглъщането на лъча е значително по-ниско, отколкото при много стомани. Следователно състоянието на повърхността, дължината на вълната, плътността на мощността, защитният газ, междината на ставите и извличането на топлина изискват разработване на процеса.

 

 

Програмата за валидиране на производството трябва да комбинира размерни и топлинни измервания.

Типичната последователност на валидиране включва:

 

CMM проверка на позицията на терминала и плоскостта.

Четири{0}}измерване на съпротивлението на електрически съединения.

Термодвойка или RTD измерване на определени места.

Инфрачервено термично изображение при представителен ток.

Термичен цикъл.

Изпитване на диелектрична устойчивост.

Проверка на напречното-сечение на заваръчния шев.

Разрушително издърпване или изпитване на срязване, когато е приложимо.

 

Термичното изображение не трябва да се използва като единствен метод за приемане, тъй като излъчването варира значително между чиста мед, покрита мед, покритие и оксидирани повърхности.

 

 

Медта има коефициент на топлинно разширение приблизително 16,5–17 ppm/градус. Полимерната изолация и съседните метални компоненти обикновено имат различни коефициенти.

 

Повтарящите се температурни цикли следователно създават механично напрежение при:

заварени интерфейси
занитени интерфейси
граници на покритието
клемни болтове
кондензаторни интерфейси
точки за монтаж на сензора

 

Сборът на шините трябва да бъде проектиран така, че топлинното разширение да не пренася прекомерно напрежение в кондензаторните клеми на DC-Link или инверторния полупроводников модул.

 

 

 

Интегрирането на шината с кондензатора на DC-Link и сензора за ток може да съкрати захранващия контур и да намали броя на сглобките.

Механичната интеграция обаче въвежда допълнителни ограничения.

 

Шината трябва едновременно да удовлетворява:

Капацитет на електрически ток
Ниска разсейваща индуктивност
Подравняване на клемите на кондензатора
Подравняване на апертурата на сензора
Контрол на-магнитното поле
Пълзене и хлабина
Интерфейс на корпуса
Монтажна толерантност
Обслужваемост

 

 

Кондензаторът на DC-Link трябва да бъде разположен възможно най-близо до превключващото мощностно стъпало.

 

Целта е да се минимизира високо{0}}честотната комутационна верига:

 

DC-Свързващ кондензатор → положителна шина → SiC модул → отрицателна шина → DC-Свързващ кондензатор

 

Увеличаването на физическото разстояние между тези елементи увеличава дължината на проводника и площта на веригата.

 

Поради тази причина шина, която е електрически ниско-съпротивление, но физически дълга, може да работи по-зле по време на бързо превключване на SiC от малко по-резистивен, но плътно ламиниран дизайн.

 

 

Текущите сензори може да използват-ефект на Хол, fluxgate, шунт или други сензорни технологии.

 

Геометрията на шината около сензора трябва да поддържа контролирано:

 

Позиция на проводника
Хлабина на отвора на сензора
Симетрия на-магнитното поле
Механична фиксация
Изолационно разстояние
Топлоизолация

 

За система за измерване на ток, базирана на шунт, съпротивлението и температурният коефициент на шунта са част от измервателната архитектура.

 

За сензори за магнитен ток позицията на проводника спрямо чувствителния елемент може да повлияе на магнитното поле, наблюдавано от сензора.

 

Поради това чертежът на шината трябва да включва изрични референтни точки на сензора, вместо да разчита на общ толеранс на монтажа.

 

 

Качеството на лазерното заваряване зависи силно от геометрията на фугата.

 

За възли на медни шини прозорецът на процеса трябва да контролира:

 

Ставна празнина

Чистота на повърхността

Дебелина на медта

Състояние на покритието

Лазерна мощност

Скорост на заваряване

Диаметър на лъча

Фокусна позиция

Защитен газ

Натиск при затягане

 

Стабилната заварка трябва да бъде валидирана чрез металографски напречни-сечения, а не само чрез визуален вид.

 

Изтеглете спецификация за проектиране на шини

 

 

За автомобилните програми електрическата производителност сама по себе си не установява готовността за производство.

 

Пакетът за валидиране на производството може да включва:

DFMEA

PFMEA

Контролен план

Диаграма на процеса

MSA

SPC

Проучвания на способностите

Доклад за проверка на размерите

Сертификати за материали

Валидиране на заваръчния шев

Данни за електрическо съпротивление

Резултати за диелектрична устойчивост

Резултати от термични тестове

Свързана с IMDS-материална информация, когато е приложимо

Спецификация на опаковката

Записи за проследимост

 

 

Критични{0}}за-качествени характеристики трябва да бъдат идентифицирани преди масовото производство.

 

Типичните характеристики на CTQ включват:

Позиция на отвора
Плоскост на терминала
Дебелина на медта
Дебелина на изолацията
Проникване на заваръчен шев
Якост на заваръчния шев
Ставно съпротивление
Дебелина на покритието
Диелектрична устойчивост
Подравняване на сензора

 

За стабилен процес на масово-производство клиентите могат да посочат Cpk по-голям или равен на 1,33 или по-висока стойност за определени критични характеристики.

Действителното изискване трябва да следва споразумението за качество и плана за контрол на клиента, вместо да прилага един универсален праг на възможностите.

 

 

Когато са посочени повърхности със сребърно{0}} покритие, дебелината на покритието трябва да се провери с помощта на подходящ метод за измерване, като XRF.

Номинална спецификация като 3–5 µm Ag покритие трябва да бъде придружена от:

Спецификация на основния материал

Спецификация на подложката

Минимална локална дебелина

Места на измерване

Подготовка на повърхността

Изискване за адхезия

Изискване за корозия

За медни шини покритието обикновено се прилага върху определени електрически контактни зони, а не автоматично върху целия компонент.

 

 

Листовете с данни за материалите предоставят отправна точка. Валидирането на производството трябва да оцени готовата шина.

Тестовата програма може да включва:

 

Тест	Основна цел	Типична контролна точка
Диелектрична устойчивост	Електрическа изолация	Без разбивка
Изолационно съпротивление	Контрол на течове	Спецификация на клиента
Ставно съпротивление	Електрическа загуба	µΩ-измерване на ниво
Термично покачване	Генериране на топлина	Дефиниран ток/товар
Напречно-сечение на заваръчния шев	Качество на синтез	Критерии за проникване/дефект
Инспекция на CMM	Съответствие на размерите	Толерантност към рисуване
Дебелина на покритието	Издръжливост на контакта	XRF измерване
Термичен цикъл	Издръжливост на разширение	Определен температурен профил
Вибрация	Механична издръжливост	Профил на превозно средство/система

 

 

Производствената линия за комплекти шини за EV трябва да поддържа проследимост от входящия материал до крайната проверка.

 

Типична верига за проследяване е:

 

Медна намотка → Партида за щамповане → Формоване → Заваряване → Почистване → Изолация → Покритие → Сглобяване → Електрически тест → Крайна проверка

След това данните за процеса могат да бъдат свързани с производствената партида, машината, състоянието на инструменталната екипировка, оператора и записа за проверка.

 

 

Стратегията за инструменти трябва да започне с окончателната архитектура на сглобяването, а не просто с възпроизвеждане на 2D профил.

 

Преди производството на матрицата инженерният преглед трябва да оцени:

Оформление на лентата

Използване на материала

Посока на зърното

Последователност на огъване

Springback

Пиърсинг натоварване

Натоварване при формоване

Избор на инструментална стомана

Износващи се повърхности

Burr посока

Дата стратегия

Приспособление за заваряване

Приспособление за проверка

 

За медни шини, посоката на изрязване може да бъде електрически и механично значима, когато щампованият ръб е разположен близо до изолация или друг проводник.

 

 

Животът на инструмента не може да бъде гарантиран от общ номер на удара.

Реалният живот зависи от:

Твърдост на медта

Дебелина на лентата

Разстояние при рязане

Геометрия на щанца

Материал на матрицата

Покритие

Скорост на натискане

Смазване

Геометрия на детайла

Интервал на поддръжка

Следователно инструментите трябва да се наблюдават чрез определени граници на износване и критерии за-превантивна поддръжка, вместо да се разчита само на натрупания брой удари.

 

 

Един надежден процес на разработване на SiC шини трябва да използва както симулация, така и физическо измерване.

 

Инженерната последователност може да бъде структурирана като:

 

Електрическа архитектура → 3D оформление на шина → Електромагнитна симулация → Термична симулация → DFM → Инструменти → Прототип → CMM → Валидиране на заваряване → Електрически тест → Термичен тест → PPAP

 

Критичният момент е, че измерената сглобка трябва да корелира с оригиналния електрически модел.

 

Симулирана верига от 8 nH не е достатъчна, ако произведеният модул е ​​с размери 18 nH поради геометрията на клемите, монтажния хардуер или преходите на съединителите, които са били изключени от модела.

 

 

Моделът трябва да включва:

 

Медни проводници

Терминални преходи

Заварени региони

Точки на свързване на кондензатор

Интерфейс на полупроводников модул

Скрепителни елементи, когато има отношение към електричеството

Обратен път

Структура на сензора, където влияе върху разпределението на тока

 

За високо{0}}честотен анализ е за предпочитане пълен 3D електромагнитен модел пред просто изчисление на съпротивлението на постоянен ток

 

 

Измерването на съпротивлението трябва да използва четири{0}}проводников метод на Келвин, когато се характеризира ниско съпротивление.

Измерванията трябва да посочват:

 

Тестови ток

Точки за измерване

Околна температура

Температура на шината

Време за стабилизиране

Конфигурация на контакта

 

Тъй като съпротивлението на медта се променя с температурата, данните за съпротивлението без дефинирана тестова температура имат ограничена инженерна стойност.

 

 

Персонализираната медна шина за приложения на EV Drive трябва да се третира като електромагнитен, термичен и механичен възел, а не като щампован меден компонент.

 

За тяговите инвертори на SiC инженерните приоритети са измерими:

<10 nH target for the defined high-frequency commutation loop
97–100% IACS медна проводимост в зависимост от класа
Контролирано съпротивление на ставите на ниво µΩ-
Локална термична способност над 200 градуса, където се изисква от системата
Определена диелектрична якост и координация на изолацията
±0,01–0,05 mm контрол върху избрани прецизни характеристики, където дизайнът позволява
Проверка на размерите-базирана на CMM
Металографско валидиране на заваръчните шевове
Проверка на дебелината-на XRF покритие
IATF 16949 производствен контрол
Документация за PPAP ниво 3, когато е посочено от клиента

 

Правилната шина е тази, чийто електрически модел, термичен модел, производствен процес и данни от инспекция съвпадат с едни и същи изисквания за проектиране.

 

 

Какви документи обикновено се включват в пакет PPAP ниво 3 за EV SiC инверторна шина?

Пакетът от ниво 3 на PPAP обикновено включва PSW, чертежи, записи на материали, резултати от размери, PFMEA, контролен план, поток на процеса, MSA, проучвания на възможностите и приложими доклади за валидиране.

 

Колко време отнема инструменталната екипировка T1 и вземането на проби от прототип за персонализирана медна инверторна шина?

Типичният цикъл на разработка T1 може да се планира около 20–30 дни, в зависимост от геометрията, прогресивната-сложност на матрицата, заваръчните приспособления, наличността на материала и одобрението на чертежа на клиента.

 

Как се проверява дебелината на сребърното покритие на aмедна шинна клема?

Дебелината на сребърното покритие обикновено се проверява чрез XRF измерване на определени места за проверка. Чертежът трябва да уточнява минималната дебелина, площта на измерване, изискванията за субстрат и подложка.