SiC keitiklio perjungimas esant 10–100 kHz: kodėl šynų parazitai yra svarbūs

SiC keitiklio šyna nėra tik mažos{0}}varžos laidininkas. Aukšto -dažnio perjungimo metu šyna yra komutavimo kilpos dalis, o jos parazitinis induktyvumas tiesiogiai prisideda prie įtampos viršijimo pagal V=L × di/dt. EV traukos keitiklių atveju praktinis projektavimo tikslas dažnai yra išlaikyti aukštą-srovės komutacijos kelią žemiau 10 nH, kartu išlaikant kontroliuojamą valkšnumą, prošvaisą, temperatūros kilimą ir mechaninį atsparumą.

 

Todėl, norint pritaikyti SiC keitiklio šynų mazgą, elektrinė, šiluminė ir mechaninė konstrukcija turi būti sukurta kaip viena struktūra: C1100 vario parinkimas, laminuota geometrija, dielektrinė izoliacija, lazerinis arba varžinis suvirinimas, DC-jungties kondensatoriaus integravimas ir srovės{2}}jutiklio padėties nustatymas turi įtakos galutiniam perjungimui-.
 

 

 

SiC MOSFET gali persijungti daug greičiau nei įprasti silicio IGBT. Gautas didelis di/dt atskleidžia parazitinį induktyvumą, kuris galėjo turėti ribotą poveikį žemesnio-dažnio galios pakopose.

 

Indukuota įtampa gali būti išreikšta taip:

 

Vₗ=Lₚ × di/dt

Kur:

Vₗ=parazitinė indukcinė įtampa
Lₚ=parazitinės kilpos induktyvumas
di/dt=dabartinis apsisukimo greitis

 

Pavyzdžiui, jei komutacinės kilpos parazitinis induktyvumas yra 20 nH, o srovė kinta esant 2 kA/µs, indukcinė įtampa yra maždaug 40 V.

 

Taigi sumažinus fizinės kilpos plotą ir priešingus magnetinius laukus šynų kamino viduje, galima sumažinti perjungimo viršijimą nepadidinant puslaidininkio įtampos.

 

 

C1100/C11000 be deguonies-arba elektrolitiškai kietas-žygio varis yra plačiai naudojamas didelės-srovių šynų konstrukcijai dėl didelio elektros laidumo ir formavimo galimybių.

 

Medžiaga	Tipinis laidumas	Pagrindinis privalumas	Įprasta šynų programa
C1100 Varis	~97–100 % IACS	Mažas nuolatinės srovės atsparumas	DC-Nuoroda ir keitiklio maitinimo kelias
C1020 deguonies{1}}be vario	~100% IACS	Didelis laidumas, mažas deguonies kiekis	Didelės{0}}srovės galios elektronika
C2680 žalvaris	~25–30 % IACS	Didesnis stiprumas, formuojamumas	Gnybtai, laikikliai, techninė įranga
Aliuminis 6061	~40% IACS	Mažas tankis, konstrukcijos tvirtumas	Svoriui{0}}jautri laidininkai

 

Didelės srovės -SiC keitikliui C1100 varis paprastai pasirenkamas pirminės srovės keliui, o žalvaris arba dengtas plienas gali būti naudojamas mechaniniam montavimo komponentams, kai elektros laidumas yra antrinis.

 

Vario storis pasirenkamas ne tik pagal dabartinį įvertinimą. Dizainas turi atsižvelgti į:

RMS srovė
impulsinė srovė
darbo ciklas
leistinas temperatūros kilimas
aplinkos temperatūra
aušinimo sąsaja
laidininko plotis ir storis
artumo efektas
sąnario pasipriešinimas
dengimo storis

 

 

Laminuotoje šynoje yra keli laidūs sluoksniai, atskirti dielektrine medžiaga. Kiekvieno vario sluoksnio matmenų kitimas kaupiasi tvirtinimo angose, gnybtų sąsajose ir kondensatoriaus prijungimo taškuose.

 

Tiksliųjų komponentų matmenų valdymas gali būti nustatytas naudojant:

Progresyvus štampavimas
CNC antrinis apdirbimas
In-kniedijimas
Sukalimas
Tikslus lenkimas
Lazerinis kirpimas
CMM patikrinimas

Priklausomai nuo geometrijos, ±0,01–0,05 mm matmenų paklaida gali būti pasiekiama valdomose ypatybėse, o bendra suformuotos dalies tolerancija turi būti apibrėžta pagal medžiagos storį, lenkimo spindulį ir įrankio būklę.

 

Inžineriniame brėžinyje reikia atskirti:

 

Elektrinės sąsajos matmenys
Mechaniniai vietos nustatymo matmenys
Ne{0}}funkciniai matmenys
Plokštumo reikalavimai
Skylės padėties tolerancija
Suvirinimo atskaitos taško reikalavimai

 

 

 

Veiksmingiausia mažo{0}}induktyvumo struktūra paprastai gaunama išeinančios ir grįžtamosios srovės kelius fiziškai arti vienas kito.

 

Laminuota konstrukcija gali išdėstyti teigiamus ir neigiamus laidininkus gretimuose sluoksniuose:

 

Cu (+) / Dielektrinis / Cu (-)

 

Priešingos srovės kryptys sukuria iš dalies panaikinančius magnetinius laukus. Tai sumažina kilpos plotą ir dėl to sumažina parazitinį induktyvumą.

 

Norint sukurti aukšto{0}}dažnio šynas, reikia atlikti elektrinį modeliavimą ir fizinį patikrinimą dėl šių parametrų:

Atstumas tarp laidininkų
Vario storis
Sluoksnių išdėstymas
Terminalo geometrija
Dabartinė kryptis
Persidengimo sritis
Per arba varžto vieta
DC-Sąjungos kondensatoriaus atstumas
Puslaidininkio modulio atstumas
Jutiklio vieta
Būsto klirensas
 

 

Didėjant vario storiui, sumažėja nuolatinės srovės varža, tačiau automatiškai nesukuriama mažiausia perjungimo{0}}kilpos induktyvumas.

 

5 mm -storio varinė plokštė vis tiek gali turėti per didelę kilpos induktyvumą, jei teigiami ir neigiami laidininkai yra fiziškai atskirti.

 

Dizaino parametras	Žema{0}}induktyvumo kryptis	Elektros priežastis
Teigiamas / neigiamas tarpas	Sumažinti	Sumažina kilpos plotą
Dabartinis{0}}kelias sutampa	Maksimaliai	Pagerina magnetinio{0}}lauko panaikinimą
DC-Sąjungos kondensatoriaus atstumas	Sumažinti	Sutrumpina komutavimo kilpą
Terminalo perėjimas	Kompaktiškas	Sumažina vietinį indukcinį nepertraukiamumą
Vario storis	Optimizuoti	Kontroliuoja atsparumą ir šiluminę apkrovą
Lenkimai	Sumažinkite staigius perėjimus	Sumažina esamą žmonių susibūrimą
Tvirtinimo vietos	Netoli dabartinės sąsajos	Apriboja sąnario varžą

 

Praktinis projektavimo tikslas turėtų būti nustatytas pagal keitiklio perjungimo greitį, puslaidininkio įtampą, leistiną viršijimą ir išmatuotą komutavimo bangos formą, o ne pagal bendrąjį induktyvumo skaičių.

 

 

Dielektrinis sluoksnis tarp varinių laidininkų turi atlaikyti tiek nuolatinę nuolatinę įtampą, tiek pasikartojančius perjungimus.

 

Įprasti izoliacijos konstrukcijos kintamieji apima:

 

PET plėvelė
PI filmas
Epoksidinė miltelinė danga
Poliimido sistemos
Lietos izoliacinės konstrukcijos

 

Reikalingas dielektriko atsparumo lygis priklauso nuo sistemos įtampos, pereinamosios įtampos, izoliacijos storio, valkšnumo, tarpo ir aplinkos sąlygų.

 

A material specification such as dielectric breakdown strength >15 kV/mm neturėtų būti traktuojamas kaip visa izoliacijos konstrukcija. Taip pat turi būti patvirtintas gatavo mazgo dielektrinis atsparumas, dalinis iškrovimas, jei taikoma, terminis senėjimas ir mechaninis vientisumas.

 

 

EV keitiklio, veikiančio kelių šimtų voltų nuolatinės srovės, izoliacijos atstumo negalima nustatyti vien pagal dangos storį.

Kuriant dizainą reikia atsižvelgti į:

 

Darbinė įtampa
Viršįtampio kategorija
Užterštumo laipsnis
Medžiagų grupė
Aukštis virš jūros lygio
CTI
Šliaužimo atstumas
Klirenso atstumas
Perjungimo pereinamoji amplitudė

 

UL 94 V-0 gali apibrėžti izoliacinės medžiagos degumą, tačiau jis nepakeičia elektros izoliacijos koordinavimo pagal taikomus sistemos reikalavimus, pvz., IEC 60664-1.

 

Prašyti nemokamo DFM įvertinimo ir pasiūlymo

 

 

SiC keitiklio šynos gali veikti esant vidutinei vidutinei temperatūrai, o šalia gnybtų, suvirintų jungčių ar siaurų srovės perėjimų atsiranda vietinių aukštesnių nei 200 laipsnių karštųjų taškų.

 

Šiluminę problemą dažnai sukelia lokalizuota varža, o ne nepakankamas viso vario skerspjūvis{0}}.

Džaulio šildymas yra toks:

 

P = I²R

Nedidelis jungties pasipriešinimo padidėjimas sukelia neproporcingai didesnį temperatūros kilimą esant didelei srovei.

Pavyzdžiui, esant 500 A, tik 100 µΩ jungties varža sukuria:

 

P = 500² × 0.0001 = 25 W

Tie 25 W yra sutelkti santykinai mažoje sąsajoje, o ne paskirstyti per visą varinę šyną.

 

 

Didelės-srovės šynų sąrankų jungčių varža turėtų būti kontroliuojama naudojant proceso galimybes, o ne tik apžiūrint.

Taikomos sujungimo technologijos:

 

Lazerinis suvirinimas

Atsparinis suvirinimas

TIG suvirinimas

Kietasis litavimas

Molekulinis difuzinis suvirinimas

Varžtinės elektros jungtys

Kniedytos laidžios sąsajos

 

Prisijungimo būdas	Tipiškas stiprumas	Šilumos{0}}paveikta zona	Matmenų valdymas	Tinkamas pritaikymas
Lazerinis suvirinimas	Aukštas	Žemas	Aukštas	Cu šynų gnybtai
Atsparinis suvirinimas	Aukštas	Lokalizuota	Aukštas	Skirtukai ir ploni laidininkai
Krosnies litavimas	Aukštas	Platus terminis poveikis	Vidutinis	Sudėtingi variniai mazgai
Molekulinis difuzinis suvirinimas	Labai aukšta sąsajos kokybė	Labai žemas	Aukštas	Tikslios laminuotos konstrukcijos
Varžtinė jungtis	Mechaniškai tvarkingas	Nėra	Vidutinis	Nuimamos jungtys

 

Vario -į-vario lazerinio suvirinimo atveju pluošto sugertis yra žymiai mažesnė nei daugelio plienų. Todėl reikia tobulinti paviršiaus būklę, bangos ilgį, galios tankį, apsaugines dujas, jungties tarpą ir šilumos ištraukimą.

 

 

Gamybos patvirtinimo programoje turėtų būti derinami matmenų ir šiluminiai matavimai.

Įprasta patvirtinimo seka apima:

 

CMM gnybtų padėties ir lygumo patikrinimas.

Keturių-laidų varžos matavimas elektros jungtyse.

Termoporos arba RTD matavimas nustatytose vietose.

Infraraudonųjų spindulių šiluminis vaizdas esant reprezentatyviajai srovei.

Terminis važiavimas dviračiu.

Dielektrinio atsparumo bandymas.

Suvirinimo{0}}skerspjūvio patikrinimas.

Ardomasis traukos arba šlyties bandymas, jei taikoma.

 

Terminis vaizdavimas neturėtų būti naudojamas kaip vienintelis priėmimo metodas, nes pliko vario, padengto vario, dangos ir oksiduotų paviršių spinduliuotė labai skiriasi.

 

 

Vario šiluminio plėtimosi koeficientas yra maždaug 16,5–17 ppm/laipsnis. Polimerinės izoliacijos ir gretimų metalinių komponentų koeficientai paprastai skiriasi.

 

Todėl pakartotinis temperatūros ciklas sukuria mechaninį įtempimą:

suvirintos sąsajos
kniedytos sąsajos
dangos ribos
gnybtų varžtai
kondensatorių sąsajos
jutiklio tvirtinimo taškai

 

Šynų kaminas turi būti suprojektuotas taip, kad šiluminis plėtimasis neperkeltų per didelio įtempio į DC{0}}Link kondensatoriaus gnybtus arba keitiklio puslaidininkių modulį.

 

 

 

Integravus šyną su DC{0}}jungties kondensatoriumi ir srovės jutikliu, gali sutrumpėti maitinimo kilpa ir sumažėti surinkimo skaičius.

Tačiau mechaninė integracija įveda papildomų apribojimų.

 

Šynos tuo pačiu metu turi atitikti:

Elektros srovės galia
Žemas klaidinantis induktyvumas
Kondensatoriaus gnybtų išlygiavimas
Jutiklio diafragmos išlyginimas
Magnetinio{0}}lauko valdymas
Šliaužimas ir klirensas
Būsto sąsaja
Surinkimo tolerancija
Tinkamumas aptarnauti

 

 

DC{0}}Link kondensatorius turi būti kuo arčiau perjungimo galios pakopos.

 

Tikslas yra sumažinti aukšto{0}}dažnio komutavimo kilpą:

 

DC-Susiejimas kondensatorius → teigiama šyna → SiC modulis → neigiama šyna → DC-Susieti kondensatorius

 

Didinant fizinį atstumą tarp šių elementų, padidėja laidininko ilgis ir kilpos plotas.

 

Dėl šios priežasties šynos, kurios elektros varža- yra maža, bet fiziškai ilga, greito SiC perjungimo metu gali veikti blogiau nei šiek tiek atsparesnė, bet tvirtai laminuota konstrukcija.

 

 

Dabartiniai jutikliai gali naudoti Hall{0}}efektą, fluxgate, šuntą ar kitas jutimo technologijas.

 

Šynų geometrija aplink jutiklį turi būti kontroliuojama:

 

Dirigento padėtis
Jutiklio diafragmos prošvaisa
Magnetinio{0}}lauko simetrija
Mechaninis fiksavimas
Izoliacijos atstumas
Šiluminė izoliacija

 

Šuntu{0}}pagrįstos srovės matavimo sistemos atveju šunto varža ir temperatūros koeficientas yra matavimo architektūros dalis.

 

Magnetinės srovės jutiklių laidininko padėtis jutimo elemento atžvilgiu gali turėti įtakos jutiklio matomam magnetiniam laukui.

 

Todėl šynų brėžinyje turėtų būti aiškiai nurodytos jutiklio atskaitos taško nuorodos, o ne pasikliauti bendra surinkimo tolerancija.

 

 

Suvirinimo lazeriu kokybė labai priklauso nuo jungties geometrijos.

 

Varinių šynų mazgų proceso langas turėtų valdyti:

 

Jungtinis tarpas

Paviršiaus švara

Vario storis

Dengimo būklė

Lazerio galia

Suvirinimo greitis

Sijos skersmuo

Fokusavimo padėtis

Apsauginės dujos

Suspaudimo slėgis

 

Stabilus suvirinimas turi būti patvirtintas metalografiniais skerspjūviais, o ne tik vizualiniu požiūriu.

 

Atsisiųskite šynų dizaino specifikaciją

 

 

Kalbant apie automobilių programas, vien elektros charakteristikos nenustato pasirengimo gamybai.

 

Gamybos patvirtinimo paketą gali sudaryti:

DFMEA

PFMEA

Kontrolės planas

Proceso srauto diagrama

MSA

SPC

Gebėjimų studijos

Matmenų patikrinimo aktas

Medžiagų sertifikatai

Suvirinimo patvirtinimas

Elektros varžos duomenys

Dielektrinio atsparumo rezultatai

Šiluminio tyrimo rezultatai

Su IMDS{0}}susijusią esminę informaciją, jei taikoma

Pakuotės specifikacija

Atsekamumo įrašai

 

 

Prieš masinę gamybą reikia nustatyti svarbias-kokybės{1}} charakteristikas.

 

Tipiškos CTQ charakteristikos yra šios:

Skylės padėtis
Terminalo lygumas
Vario storis
Izoliacijos storis
Suvirinimo įsiskverbimas
Suvirinimo stiprumas
Sąnario atsparumas
Dengimo storis
Dielektrinis atsparumas
Jutiklio derinimas

 

Kad būtų užtikrintas stabilus{0}}masinės gamybos procesas, klientai gali nurodyti Cpk Didesnį arba lygų 1,33 arba didesnę nurodytų kritinių charakteristikų vertę.

Faktinis reikalavimas turėtų atitikti kliento kokybės susitarimą ir kontrolės planą, o ne taikyti vieną universalią galimybių ribą.

 

 

Kai nurodytos sidabruotos{0} sąsajos, dangos storis turi būti patikrintas naudojant atitinkamą matavimo metodą, pvz., XRF.

Kartu su vardine specifikacija, pvz., 3–5 µm Ag padengimu, turi būti nurodyta:

Pagrindinės medžiagos specifikacija

Apatinės plokštės specifikacija

Mažiausias vietinis storis

Matavimo vietos

Paviršiaus paruošimas

Sukibimo reikalavimas

Korozijos reikalavimas

Varinių šynų dengimas paprastai dengiamas apibrėžtose elektros kontaktų srityse, o ne automatiškai visame komponente.

 

 

Medžiagų duomenų lapai suteikia atskaitos tašką. Gamybos patvirtinimas turi įvertinti gatavą šyną.

Bandymo programa gali apimti:

 

Testas	Pirminis tikslas	Tipiškas valdymo taškas
Dielektrinis atsparumas	Elektros izoliacija	Jokio gedimo
Izoliacijos atsparumas	Nuotėkio kontrolė	Kliento specifikacija
Sąnario atsparumas	Elektros praradimas	µΩ-lygio matavimas
Terminis pakilimas	Šilumos generavimas	Apibrėžta srovė / apkrova
Suvirinimo skerspjūvis-	Sintezės kokybė	Prasiskverbimo/defekto kriterijai
CMM patikrinimas	Matmenų atitikimas	Piešimo tolerancija
Dengimo storis	Kontakto patvarumas	XRF matavimas
Terminis važiavimas dviračiu	Išsiplėtimo ilgaamžiškumas	Apibrėžtas temperatūros profilis
Vibracija	Mechaninis patvarumas	Transporto priemonės/sistemos profilis

 

 

EV šynų agregatų gamybos linija turėtų išlaikyti atsekamumą nuo gaunamos medžiagos iki galutinio patikrinimo.

 

Tipiška atsekamumo grandinė yra:

 

Varinė ritė → štampavimo aikštelė → formavimas → suvirinimas → valymas → izoliacija → dengimas → surinkimas → elektrinis bandymas → galutinis patikrinimas

Tada proceso duomenys gali būti susieti su gamybos partija, mašina, įrankių būkle, operatoriumi ir patikrinimo įrašu.

 

 

Įrankių strategija turėtų prasidėti nuo galutinės surinkimo architektūros, o ne tiesiog atkuriant 2D profilį.

 

Prieš gaminant štampus, inžinerinė apžvalga turėtų įvertinti:

Juostos išdėstymas

Medžiagos panaudojimas

Grūdų kryptis

Lenkimo seka

Springback

Auskarų vėrimo apkrova

Formuojanti apkrova

Įrankio plieno pasirinkimas

Dėvėti paviršius

Burr kryptis

Datum strategija

Suvirinimo įtaisas

Apžiūros laikiklis

 

Varinių šynų atveju, kai štampuotas kraštas yra šalia izoliacijos ar kito laidininko, šerdies kryptis gali būti svarbi elektriškai ir mechaniškai.

 

 

Įrankio tarnavimo laikas negali būti garantuotas pagal bendrąjį eigos numerį.

Tikrasis gyvenimas priklauso nuo:

Vario kietumas

Juostos storis

Pjovimo prošvaisa

Punch geometrija

Šlifavimo medžiaga

Dengimas

Spaudimo greitis

Tepimas

Dalies geometrija

Priežiūros intervalas

Todėl įrankius reikia stebėti laikantis nustatytų nusidėvėjimo ribų ir prevencinės{0}}priežiūros kriterijų, o ne pasikliauti tik sukauptu smūgių skaičiumi.

 

 

Patikimas SiC šynų kūrimo procesas turėtų naudoti tiek modeliavimą, tiek fizinį matavimą.

 

Inžinerinė seka gali būti struktūrizuota taip:

 

Elektros architektūra → 3D šynų išdėstymas → Elektromagnetinis modeliavimas → Šiluminis modeliavimas → DFM → Įrankiai → Prototipas → CMM → Suvirinimo patvirtinimas → Elektrinis bandymas → Šiluminis bandymas → PPAP

 

Kritinis taškas yra tai, kad išmatuotas mazgas turi koreliuoti su originaliu elektriniu modeliu.

 

Imituotos 8 nH kilpos nepakanka, jei pagamintas mazgas yra 18 nH dėl gnybtų geometrijos, tvirtinimo įrangos arba jungčių perėjimų, kurie nebuvo įtraukti į modelį.

 

 

Modelyje turėtų būti:

 

Variniai laidininkai

Terminalo perėjimai

Suvirinti regionai

Kondensatorių prijungimo taškai

Puslaidininkinio modulio sąsaja

Tvirtinimo detalės, jei reikia elektra

Grįžimo kelias

Jutiklio struktūra, kurioje jis veikia srovės paskirstymą

 

Atliekant aukšto -dažnio analizę, geriau naudoti visą 3D elektromagnetinį modelį, o ne paprastą nuolatinės srovės varžos skaičiavimą

 

 

Atsparumas turi būti matuojamas naudojant Kelvino keturių{0} laidų metodą, kai apibūdinama maža varža.

Išmatavimai turėtų nurodyti:

 

Bandymo srovė

Matavimo taškai

Aplinkos temperatūra

Šynų temperatūra

Stabilizavimo laikas

Kontaktų konfigūracija

 

Kadangi vario atsparumas kinta priklausomai nuo temperatūros, atsparumo duomenys be nustatytos bandymo temperatūros turi ribotą inžinerinę vertę.

 

 

EV Drive pritaikyta varinė šyna turėtų būti traktuojama kaip elektromagnetinis, terminis ir mechaninis mazgas, o ne štampuotas varinis komponentas.

 

SiC traukos keitiklių inžineriniai prioritetai yra išmatuojami:

<10 nH target for the defined high-frequency commutation loop
97–100 % IACS vario laidumas, priklausomai nuo klasės
Valdomas µΩ-lygio jungties atsparumas
Vietinė šiluminė galia virš 200 laipsnių, kai to reikalauja sistema
Apibrėžtas dielektrinis stiprumas ir izoliacijos koordinavimas
±0,01–0,05 mm pasirinktų tikslumo savybių valdymas, jei tai leidžia konstrukcija
CMM{0}}pagrįstas matmenų patvirtinimas
Metalografinio suvirinimo patvirtinimas
XRF dengimo{0}}storio patikrinimas
IATF 16949 gamybos kontrolė
PPAP 3 lygio dokumentacija, kai nurodo klientas

 

Tinkama šyna yra ta, kurios elektrinis modelis, terminis modelis, gamybos procesas ir tikrinimo duomenys atitinka tuos pačius projektavimo reikalavimus.

 

 

Kokie dokumentai paprastai įtraukiami į PPAP 3 lygio paketą, skirtą EV SiC keitiklio šynai?

PPAP 3 lygio paketas paprastai apima PSW, brėžinius, medžiagų įrašus, matmenų rezultatus, PFMEA, valdymo planą, proceso eigą, MSA, pajėgumų tyrimus ir taikomas patvirtinimo ataskaitas.

 

Kiek laiko užtrunka T1 įrankių ir prototipo mėginių ėmimas pasirinktinei vario keitiklio šynai?

Įprastą T1 kūrimo ciklą galima suplanuoti maždaug 20–30 dienų, atsižvelgiant į geometriją, laipsnišką -štampavimo sudėtingumą, suvirinimo įtaisus, medžiagų prieinamumą ir kliento brėžinio patvirtinimą.

 

Kaip patikrinamas sidabro dengimo storis ant avarinių šynų terminalas?

Sidabro padengimo storis paprastai tikrinamas XRF matavimu nustatytose tikrinimo vietose. Brėžinyje turi būti nurodytas minimalus storis, matavimo plotas, pagrindo ir apatinės plokštės reikalavimai.