SiC-invertterin kytkentä taajuudella 10–100 kHz: Miksi virtakiskoparasiitteilla on väliä

SiC-invertterin virtakisko ei ole vain pieni{0}}vastusjohdin. Korkeataajuisen -kytkennän aikana virtakisko muodostaa osan kommutointisilmukkaa, ja sen loisinduktanssi myötävaikuttaa suoraan jännitteen ylitykseen V=L × di/dt mukaisesti. Sähköajoneuvojen vetoinvertterien käytännöllinen suunnittelutavoite on usein pitää korkean virran kommutointireitti alle 10 nH:ssa säilyttäen samalla hallittu ryömintä, välys, lämpötilan nousu ja mekaaninen toleranssi.

 

Mukautetun SiC-invertterikiskokokoonpanon sähkö-, lämpö- ja mekaaninen suunnittelu on siksi kehitettävä yhtenä rakenteena: C1100-kuparin valinta, laminoitu geometria, dielektrinen eristys, laser- tai vastushitsaus, DC-linkkikondensaattorin integrointi ja virta-anturin sijoittelu vaikuttavat kaikki lopulliseen kytkentäpiiriin-.
 

 

 

SiC MOSFETit voivat vaihtaa huomattavasti nopeammin kuin perinteiset pii-IGBT:t. Tuloksena oleva korkea di/dt paljastaa loisinduktanssin, jolla on saattanut olla rajallinen vaikutus matalataajuisissa tehoasteikoissa.

 

Indusoitunut jännite voidaan ilmaista seuraavasti:

 

Vₗ=Lₚ × di/dt

Jossa:

Vₗ=loisinduktiivinen jännite
Lₚ=loissilmukan induktanssi
di/dt=nykyinen muutosnopeus

 

Esimerkiksi, jos kommutointisilmukan loisinduktanssi on 20 nH ja virta muuttuu nopeudella 2 kA/µs, induktiivisen jännitteen osuus on noin 40 V.

 

Fyysisen silmukan alueen pienentäminen ja vastakkaiset magneettikentät virtakiskopinon sisällä voivat näin ollen vähentää kytkentäylitystä ilman, että puolijohdejännite kasvaa.

 

 

C1100/C11000 happi-vapaata tai elektrolyyttisesti sitkeää-pikikuparia käytetään laajalti suurvirtakiskorakenteissa- sen korkean sähkönjohtavuuden ja muovauskyvyn vuoksi.

 

Materiaali	Tyypillinen johtavuus	Pääasiallinen etu	Tyypillinen virtakiskosovellus
C1100 kupari	~97–100 % IACS	Matala tasavirtavastus	DC-Linkin ja invertterin tehopolku
C1020 happi{1}}vapaa kupari	~100 % IACS	Korkea johtavuus, alhainen happipitoisuus	Suuri{0}}virtatehoelektroniikka
C2680 messinki	~25–30 % IACS	Suurempi lujuus, muovattavuus	Liittimet, kiinnikkeet, laitteistot
Alumiini 6061	~40 % IACS	Matala tiheys, rakenteellinen lujuus	Paino{0}}herkät johtimet

 

Korkeavirta{0}}SiC-invertterissä C1100-kupari valitaan tavallisesti ensisijaiseksi virranpoluksi, kun taas messinkiä tai pinnoitettua terästä voidaan käyttää mekaanisiin asennuskomponentteihin, joissa sähkönjohtavuus on toissijainen.

 

Kuparin paksuutta ei valita pelkästään virran arvosta. Suunnittelussa on otettava huomioon:

RMS-virta
pulssivirta
käyttömäärä
sallittu lämpötilan nousu
ympäristön lämpötila
jäähdytysliittymä
johtimen leveys ja paksuus
läheisyysvaikutus
nivelvastus
pinnoitteen paksuus

 

 

Laminoitu virtakisko sisältää useita johtavia kerroksia, jotka on erotettu eristemateriaalilla. Kunkin kuparikerroksen mittavaihtelut kerääntyvät kiinnitysreikiin, liitäntöihin ja kondensaattorin liitäntäpisteisiin.

 

Tarkkuuskomponenttien mittojen hallinta voidaan määrittää seuraavilla tavoilla:

Progressiivinen stanssaus
CNC toissijainen koneistus
In-niitattu
Keksiminen
Tarkkuus taivutus
Laserleikkaus
CMM-tarkastus

Geometriasta riippuen ±0,01–0,05 mm:n mittatoleranssi voi olla saavutettavissa kontrolloiduilla ominaisuuksilla, kun taas muodostetun -osan kokonaistoleranssi on määritettävä materiaalin paksuuden, taivutussäteen ja työkalun kunnon mukaan.

 

Teknisessä piirustuksessa on erotettava toisistaan:

 

Sähköisen liitännän mitat
Mekaaniset paikannusmitat
Ei-{0}}toiminnalliset mitat
Tasaisuusvaatimukset
Reiän sijainnin toleranssi
Hitsauspisteiden vaatimukset

 

 

 

Tehokkain matalan{0}}induktanssin rakenne saadaan yleensä sijoittamalla lähtö- ja paluuvirtareitit fyysisesti lähelle toisiaan.

 

Laminoitu rakenne voi sijoittaa positiiviset ja negatiiviset johtimet vierekkäisiin kerroksiin:

 

Cu (+) / Dielektrinen / Cu (-)

 

Vastakkaiset virransuunnat synnyttävät osittain kumoavia magneettikenttiä. Tämä pienentää silmukan pinta-alaa ja vähentää siten loisten induktanssia.

 

Korkeataajuista{0}}virtakiskoa varten seuraavat parametrit edellyttävät sähköistä simulointia ja fyysistä vahvistusta:

Johdinvälit
Kuparin paksuus
Kerrosjärjestely
Päätteen geometria
Nykyinen suunta
Päällekkäisyysalue
Via tai pulttipaikka
DC-Linkkondensaattorin etäisyys
Puolijohdemoduulin etäisyys
Anturin sijainti
Asunnon tyhjennys
 

 

Kuparin paksuuden lisääminen pienentää tasavirtavastusta, mutta se ei tuota automaattisesti alhaisinta kytkentäsilmukan -induktanssia.

 

5 mm-paksu kuparilevy voi silti osoittaa liikaa silmukkainduktanssia, jos positiivinen ja negatiivinen johtimet erotetaan fyysisesti.

 

Suunnitteluparametri	Matala-induktanssisuunta	Sähköinen syy
Positiivinen/negatiivinen väli	Minimoida	Pienentää silmukan pinta-alaa
Nykyinen{0}}polun päällekkäisyys	Maksimoida	Parantaa magneettikentän{0}}vaimennusta
DC-Linkkondensaattorin etäisyys	Minimoida	Lyhentää kommutointisilmukkaa
Terminaalin siirtyminen	Kompakti	Vähentää paikallista induktiivista epäjatkuvuutta
Kuparin paksuus	Optimoida	Säätelee vastusta ja lämpökuormitusta
Taivutukset	Minimoi äkilliset siirtymät	Vähentää nykyistä tungosta
Kiinnikkeiden paikat	Lähellä nykyistä käyttöliittymää	Rajoittaa nivelimpedanssia

 

Käytännön suunnittelutavoite tulisi määrittää invertterin kytkentänopeuden, puolijohteen nimellisjännitteen, sallitun ylityksen ja mitatun kommutaatioaaltomuodon perusteella yleisen induktanssiluvun sijaan.

 

 

Kuparijohtimien välisen dielektrisen kerroksen tulee kestää sekä jatkuvaa tasajännitettä että toistuvia kytkentätransientteja.

 

Tyypillisiä eristyssuunnittelumuuttujia ovat:

 

PET-kalvo
PI elokuva
Epoksijauhemaalaus
Polyimidijärjestelmät
Valetut eristysrakenteet

 

Vaadittu dielektrinen kestotaso riippuu järjestelmän jännitteestä, transienttijännitteestä, eristeen paksuudesta, ryöminnästä, välyksestä ja ympäristöolosuhteista.

 

A material specification such as dielectric breakdown strength >15 kV/mm ei tule pitää täydellisenä eristyssuunnitelmana. Valmis kokoonpano on myös validoitava dielektrisen kestävyyden, tarvittaessa osittaisen purkauksen, lämpövanhenemisen ja mekaanisen eheyden suhteen.

 

 

Useiden satojen volttien tasavirralla toimivan EV-invertterin eristysväliä ei voida määrittää pelkästään pinnoitteen paksuudesta.

Suunnittelussa tulee ottaa huomioon:

 

Käyttöjännite
Ylijänniteluokka
Saastumisaste
Materiaaliryhmä
Korkeus
CTI
Ryömintäetäisyys
Poistoetäisyys
Transienttiamplitudin vaihto

 

UL 94 V-0 saattaa määrittää eristysmateriaalin syttymissuorituskyvyn, mutta se ei korvaa sähköeristyksen koordinointia sovellettavien järjestelmävaatimusten, kuten IEC 60664-1, mukaisesti.

 

Pyydä ilmainen DFM-arviointi ja tarjous

 

 

SiC-invertterikisko voi toimia kohtuullisessa keskilämpötilassa, kun se kehittää paikallisia yli 200 asteen kuumia kohtia liittimien, hitsausliitosten tai kapeiden virtasiirtymien lähellä.

 

Lämpöongelma johtuu usein paikallisesta resistanssista eikä riittämättömästä kuparin kokonaispoikkileikkauksesta.

Joule-lämmitys seuraa seuraavasti:

 

P = I²R

Pieni lisäys nivelvastuksessa aiheuttaa suhteettoman suuremman lämpötilan nousun suurella virralla.

Esimerkiksi 500 A:lla vain 100 µΩ:n liitosvastus tuottaa:

 

P = 500² × 0.0001 = 25 W

Tuo 25 W on keskittynyt suhteellisen pieneen rajapintaan sen sijaan, että se jakautuisi koko kuparikiskoon.

 

 

Suurvirtakiskokokoonpanoissa liitoksen resistanssia tulee hallita prosessivalmiudella pelkän visuaalisen tarkastuksen sijaan.

Sovellettavia liitostekniikoita ovat:

 

Laserhitsaus

Vastushitsaus

TIG-hitsaus

Juottaminen

Molekyylidiffuusiohitsaus

Ruuvatut sähköliitokset

Niitatut johtavat rajapinnat

 

Liittymismenetelmä	Tyypillinen vahvuus	Lämpö{0}}vaikutusalue	Mittojen ohjaus	Sopiva sovellus
Laserhitsaus	Korkea	Matala	Korkea	Cu-virtakiskoliittimet
Vastushitsaus	Korkea	Lokalisoitu	Korkea	Kielekkeet ja ohuet johtimet
Uunin juottaminen	Korkea	Laaja lämpöaltistus	Keskikokoinen	Monimutkaiset kuparikokoonpanot
Molekyylidiffuusiohitsaus	Erittäin korkea käyttöliittymän laatu	Erittäin matala	Korkea	Tarkkuuslaminoidut rakenteet
Pulttiliitos	Mekaanisesti huollettavissa	Ei mitään	Keskikokoinen	Irrotettavat liitännät

 

Kupari-–-kuparilaserhitsauksessa säteen absorptio on huomattavasti pienempi kuin monien terästen. Pintaolosuhteet, aallonpituus, tehotiheys, suojakaasu, liitosrako ja lämmönpoisto vaativat siksi prosessin kehittämistä.

 

 

Tuotannon validointiohjelmassa tulisi yhdistää mitta- ja lämpömittaukset.

Tyypillinen validointijakso sisältää:

 

CMM-tarkastus terminaalin sijainnin ja tasaisuuden.

Sähköliitosten neljän-johdinresistanssin mittaus.

Termoelementti- tai RTD-mittaus määritellyissä paikoissa.

Infrapunalämpökuvaus edustavalla virralla.

Lämpöpyöräily.

Dielektrinen kestävyystesti.

Hitsauksen poikkileikkauksen{0}}tarkastus.

Tuhoava veto- tai leikkauskoe tarvittaessa.

 

Lämpökuvausta ei tule käyttää ainoana hyväksymismenetelmänä, koska emissiokyky vaihtelee merkittävästi paljaan kuparin, pinnoitetun kuparin, pinnoitteen ja hapettuneiden pintojen välillä.

 

 

Kuparin lämpölaajenemiskerroin on noin 16,5–17 ppm/aste. Polymeerieristeillä ja vierekkäisillä metalliosilla on yleensä erilaiset kertoimet.

 

Toistuva lämpötilan jaksotus aiheuttaa siksi mekaanista rasitusta:

hitsatut rajapinnat
niitatut rajapinnat
pinnoitteen rajat
terminaalin pultit
kondensaattoriliitännät
anturin kiinnityspisteet

 

Virtakiskopinon tulee olla suunniteltu siten, että lämpölaajeneminen ei siirrä liiallista jännitystä DC-Link-kondensaattorin liittimiin tai invertterin puolijohdemoduuliin.

 

 

 

Virtakiskon integrointi DC{0}}Link-kondensaattoriin ja virta-anturiin voi lyhentää virtasilmukkaa ja vähentää kokoonpanojen määrää.

Mekaaninen integrointi tuo kuitenkin lisärajoituksia.

 

Virtakiskon on samanaikaisesti täytettävä:

Sähkövirran kapasiteetti
Matala hajainduktanssi
Kondensaattorin napojen kohdistus
Anturin aukon kohdistus
Magneettisen{0}}kentän ohjaus
Ryömintä ja raivaus
Asunnon käyttöliittymä
Asennustoleranssi
Huollettavuus

 

 

DC-Link-kondensaattori tulee sijoittaa mahdollisimman lähelle kytkentätehoa.

 

Tavoitteena on minimoida{0}}korkeataajuinen kommutointisilmukka:

 

DC-Linkkikondensaattori → positiivinen virtakisko → SiC-moduuli → negatiivinen virtakisko → DC-Linkkondensaattori

 

Näiden elementtien välisen fyysisen etäisyyden lisääminen lisää johtimen pituutta ja silmukan pinta-alaa.

 

Tästä syystä sähköisesti pieni{0}}vastus mutta fyysisesti pitkä virtakisko voi toimia huonommin nopean piikarbidin vaihdon aikana kuin hieman resistiivisempi mutta tiukasti laminoitu malli.

 

 

Nykyiset anturit voivat käyttää Hall{0}}efektiä, fluxgate-, shuntti- tai muita anturitekniikoita.

 

Anturin ympärillä olevan virtakiskon geometrian on oltava hallinnassa:

 

Johtimen asento
Anturin aukon välys
Magneettikentän-symmetria
Mekaaninen kiinnitys
Eristysvälit
Lämpöeristys

 

Shuntti{0}}pohjaisessa virranmittausjärjestelmässä shuntin resistanssi- ja lämpötilakerroin ovat osa mittausarkkitehtuuria.

 

Magneettivirta-antureissa johtimen sijainti suhteessa anturielementtiin voi vaikuttaa anturin näkemään magneettikenttään.

 

Sen vuoksi virtakiskopiirustuksen tulisi sisältää selkeät anturin peruspisteviitteet sen sijaan, että luotaisiin yleiseen kokoonpanotoleranssiin.

 

 

Laserhitsauksen laatu riippuu voimakkaasti liitoksen geometriasta.

 

Kuparikiskokokoonpanoissa prosessiikkunan tulee ohjata:

 

Yhteinen rako

Pinnan puhtaus

Kuparin paksuus

Pinnoitteen kunto

Laser teho

Hitsausnopeus

Palkin halkaisija

Tarkennusasento

Suojakaasu

Puristuspaine

 

Vakaa hitsi tulee validoida metallografisten poikkileikkausten-kautta eikä pelkän visuaalisen ulkonäön perusteella.

 

Lataa virtakiskosuunnittelun tiedot

 

 

Autoalan ohjelmissa pelkkä sähköinen suorituskyky ei takaa tuotantovalmiutta.

 

Tuotannon validointipaketti voi sisältää:

DFMEA

PFMEA

Valvontasuunnitelma

Prosessin kulkukaavio

MSA

SPC

Kykytutkimukset

Mittatarkastusraportti

Materiaalitodistukset

Hitsauksen validointi

Sähkövastustiedot

Dielektrisen kestävyyden tulokset

Lämpötestin tulokset

IMDS{0}}on liittyvää materiaalia tarvittaessa

Pakkauksen erittely

Jäljitettävyystiedot

 

 

Kriittiset--laatuominaisuudet tulee tunnistaa ennen massatuotantoa.

 

Tyypillisiä CTQ-ominaisuuksia ovat:

Reiän asento
Terminaalin tasaisuus
Kuparin paksuus
Eristeen paksuus
Hitsauksen tunkeutuminen
Hitsauksen lujuus
Nivelvastus
Pinnoitteen paksuus
Dielektrinen kestävyys
Anturin suuntaus

 

Vakaassa{0}}massatuotantoprosessissa asiakkaat voivat määrittää Cpk:n, joka on suurempi tai yhtä suuri kuin 1,33 tai korkeampi arvo määritetyille kriittisille ominaisuuksille.

Varsinaisen vaatimuksen tulisi noudattaa asiakkaan laatusopimusta ja valvontasuunnitelmaa sen sijaan, että sovellettaisiin yhtä yleistä kykykynnystä.

 

 

Jos hopeoidut liitännät on määritetty, pinnoitteen paksuus tulee varmistaa käyttämällä sopivaa mittausmenetelmää, kuten XRF.

Nimellismäärittelyyn, kuten 3–5 µm Ag-pinnoitukseen, tulee liittää:

Perusmateriaalin erittely

Alalevyn erittely

Paikallinen vähimmäispaksuus

Mittauspaikat

Pinnan valmistelu

Tarttuvuusvaatimus

Korroosiovaatimus

Kuparikiskojen osalta pinnoitus levitetään yleensä määrätyille sähkökontaktialueille eikä automaattisesti koko komponentin yli.

 

 

Materiaalitiedot tarjoavat lähtökohdan. Tuotannon validoinnin tulee arvioida valmis virtakisko.

Testiohjelma voi sisältää:

 

Testata	Ensisijainen tarkoitus	Tyypillinen ohjauspiste
Dielektrinen kestävyys	Sähköeristys	Ei hajoamista
Eristysvastus	Vuodon hallinta	Asiakkaan spesifikaatio
Nivelvastus	Sähköhäviö	µΩ-tason mittaus
Terminen nousu	Lämmöntuotanto	Määritelty virta/kuorma
Hitsaa poikkileikkaus-	Fuusiolaatu	Läpäisy-/vikakriteerit
CMM-tarkastus	Mittojen yhdenmukaisuus	Piirustustoleranssi
Pinnoitteen paksuus	Kontaktin kestävyys	XRF mittaus
Lämpöpyöräily	Laajentumisen kestävyys	Määritelty lämpötilaprofiili
Tärinä	Mekaaninen kestävyys	Ajoneuvon/järjestelmän profiili

 

 

Sähköautojen virtakiskokokoonpanojen tuotantolinjan tulisi säilyttää jäljitettävyys saapuvasta materiaalista lopputarkastukseen asti.

 

Tyypillinen jäljitettävyysketju on:

 

Kuparikela → Leimauserä → Muotoilu → Hitsaus → Puhdistus → Eristys → Päällystys → Kokoaminen → Sähkötesti → Lopputarkastus

Prosessitiedot voidaan sitten linkittää tuotantoerään, koneeseen, työkalujen kuntoon, käyttäjään ja tarkastustietueeseen.

 

 

Työkalustrategian tulisi alkaa lopullisesta kokoonpanoarkkitehtuurista 2D-profiilin toistamisen sijaan.

 

Ennen muotin valmistusta teknisen katsauksen tulee arvioida:

Nauhan asettelu

Materiaalin käyttö

Viljan suunta

Taivutusjärjestys

Springback

Lävistyskuorma

Muodostava kuorma

Työkaluteräksen valinta

Käytä pintoja

Puren suunta

Datum-strategia

Hitsauslaite

Tarkastuskiinnike

 

Kuparikiskoissa jäysteen suunta voi olla sähköisesti ja mekaanisesti merkittävä silloin, kun meistetty reuna sijaitsee lähellä eristystä tai muuta johdinta.

 

 

Yleisellä iskun numerolla ei voida taata työkalun käyttöikää.

Todellinen elämä riippuu:

Kuparin kovuus

Nauhan paksuus

Leikkausvälys

Lävistysgeometria

Die materiaali

Pinnoite

Paina nopeus

Voitelu

Osan geometria

Huoltoväli

Työkaluja tulee siksi valvoa määriteltyjen kulumisrajojen ja ennaltaehkäisevien{0}}huoltokriteerien avulla sen sijaan, että luotaisiin vain kertyneeseen iskumäärään.

 

 

Luotettavassa SiC-virtakiskokehitysprosessissa tulisi käyttää sekä simulointia että fyysistä mittausta.

 

Suunnittelusarja voidaan rakentaa seuraavasti:

 

Sähköarkkitehtuuri → 3D-virtakiskoasettelu → sähkömagneettinen simulointi → lämpösimulaatio → DFM → työkalut → prototyyppi → CMM → hitsin validointi → sähkötesti → lämpötesti → PPAP

 

Kriittinen kohta on, että mitatun kokoonpanon tulee korreloida alkuperäisen sähkömallin kanssa.

 

Simuloitu 8 nH:n silmukka ei riitä, jos valmistetun kokoonpanon koko on 18 nH johtuen liittimen geometriasta, asennuslaitteistosta tai liitinsiirtymistä, jotka jätettiin mallista pois.

 

 

Mallin tulee sisältää:

 

Kuparijohtimet

Terminaalin siirtymät

Hitsatut alueet

Kondensaattorin liitäntäpisteet

Puolijohdemoduulin liitäntä

Kiinnikkeet sähköisesti merkityksellisissä tapauksissa

Paluupolku

Anturin rakenne, jossa se vaikuttaa virran jakautumiseen

 

Korkeataajuiseen{0}}analyysiin täydellinen 3D-sähkömagneettinen malli on parempi kuin yksinkertainen tasavirtaresistanssilaskelma

 

 

Resistanssimittauksessa tulee käyttää Kelvin-neli{0}}johtimista menetelmää, kun luonnehditaan pientä vastusta.

Mittauksista tulee ilmoittaa:

 

Testaa virta

Mittauspisteet

Ympäristön lämpötila

Virtakiskon lämpötila

Stabilointiaika

Yhteystiedot

 

Koska kuparin vastus muuttuu lämpötilan mukaan, vastustiedoilla ilman määriteltyä testilämpötilaa on rajoitettu tekninen arvo.

 

 

Mukautettua kuparikiskoa EV Drive -sovelluksiin tulee käsitellä sähkömagneettisena, termisenä ja mekaanisena kokoonpanona eikä meistettynä kuparikomponenttina.

 

SiC-ajoinvertterien suunnittelun prioriteetit ovat mitattavissa:

<10 nH target for the defined high-frequency commutation loop
97–100 % IACS:n kuparin johtavuus laadusta riippuen
Ohjattu µΩ-tasoinen liitosvastus
Paikallinen lämpökapasiteetti yli 200 astetta, jos järjestelmä vaatii
Määritelty dielektrinen lujuus ja eristyksen koordinaatio
±0,01–0,05 mm:n ohjaus valituissa tarkkuusominaisuuksissa, mikäli suunnittelu sen sallii
CMM{0}}pohjainen mittavahvistus
Metallografisen hitsin validointi
XRF-pinnoitteen{0}}paksuuden vahvistus
IATF 16949 tuotannonohjaus
PPAP-tason 3 dokumentaatio, kun asiakas on määrittänyt

 

Oikea virtakisko on se, jonka sähkömalli, lämpömalli, valmistusprosessi ja tarkastustiedot vastaavat samoja suunnitteluvaatimuksia.

 

 

Mitä asiakirjoja yleensä sisältyy PPAP Level 3 -pakettiin EV SiC -invertterikiskolle?

PPAP Level 3 -paketti sisältää tyypillisesti PSW:n, piirustukset, materiaalitietueet, mittatulokset, PFMEA:n, ohjaussuunnitelman, prosessin kulun, MSA:n, kykytutkimukset ja sovellettavat validointiraportit.

 

Kuinka kauan T1-työkalut ja prototyypin näytteenotto vie mukautetun kuparisen invertterikiskon?

Tyypillinen T1-kehitysjakso voidaan suunnitella noin 20–30 päiväksi riippuen geometriasta, progressiivisesta -muotin monimutkaisuudesta, hitsauskiinnittimistä, materiaalin saatavuudesta ja asiakkaan piirustuksen hyväksynnästä.

 

Kuinka hopeapinnoituksen paksuus varmistetaan akuparivirtakiskoliitin?

Hopeapinnoitteen paksuus tarkistetaan yleensä XRF-mittauksella määritellyissä tarkastuspaikoissa. Piirustuksessa tulee määrittää vähimmäispaksuus, mittausalue, alusta- ja aluslevyvaatimukset.