SiC-inverteri lülitamine sagedusel 10–100 kHz: miks siiniparasiidid on olulised

SiC-inverteri siinid ei ole lihtsalt madala{0}}takistusega juht. Kõrgsagedusliku -lülitamise ajal moodustab siini kommutatsiooniahela osa ja selle parasiitne induktiivsus aitab otseselt kaasa pinge ületamisele vastavalt V=L × di/dt. Elektrisõidukite veojõumuundurite puhul on praktiline disainieesmärk sageli hoida kõrge -voolu kommutatsioonirada alla 10 nH, säilitades samal ajal kontrollitud roome, kliirensi, temperatuuri tõusu ja mehaanilise tolerantsi.

 

Kohandatud SiC-inverteri siinikoostu jaoks tuleb elektriline, termiline ja mehaaniline konstruktsioon välja töötada ühe struktuurina: C1100 vasevalik, lamineeritud geomeetria, dielektriline isolatsioon, laser- või takistuskeevitus, alalisvoolu -linkkondensaatorite integreerimine ja voolu-anduri positsioneerimine mõjutavad lõplikku lülitusahelat-.
 

 

 

SiC MOSFET-id võivad lülituda oluliselt kiiremini kui tavalised räni IGBT-d. Saadud kõrge di/dt paljastab parasiit-induktiivsuse, millel võis olla piiratud mõju madalama sagedusega-võimsusastmetes.

 

Indutseeritud pinget saab väljendada järgmiselt:

 

Vₗ=Lₚ × di/dt

Kus:

Vₗ=parasiitne induktiivne pinge
Lₚ=parasiitahela induktiivsus
di/dt=praegune pöördekiirus

 

Näiteks kui kommutatsiooniahela parasiit-induktiivsus on 20 nH ja vool muutub kiirusel 2 kA/µs, on induktiivpinge panus ligikaudu 40 V.

 

Füüsilise ahela pindala vähendamine ja vastassuunalised magnetväljad siinikihi sees võivad seega vähendada lülituse ületamist ilma pooljuhtide nimipinget suurendamata.

 

 

C1100/C11000 hapniku-vaba või elektrolüütiliselt sitke-pigivaske kasutatakse laialdaselt suure-vooluga siinide ehitamiseks selle suure elektrijuhtivuse ja vormimisvõime tõttu.

 

Materjal	Tüüpiline juhtivus	Peamine eelis	Tüüpiline siinirakendus
C1100 Vask	~97–100% IACS	Madal alalisvoolu takistus	DC-Link ja inverteri toitetee
C1020 hapniku{1}}vaba vask	~100% IACS	Kõrge juhtivus, madal hapnikusisaldus	Kõrge voolu-elektroonika
C2680 messing	~25–30% IACS	Suurem tugevus, vormitavus	Klemmid, klambrid, riistvara
Alumiinium 6061	~40% IACS	Madal tihedus, struktuurne tugevus	Kaal{0}}tundlikud juhid

 

Kõrge voolu -SiC-inverteri puhul valitakse primaarvooluteeks tavaliselt vask C1100, samas kui messingist või kaetud terasest võib mehaaniliste paigalduskomponentide jaoks kasutada, kui elektrijuhtivus on sekundaarne.

 

Vase paksust ei valita ainult praeguse hinnangu järgi. Disain peab arvestama:

RMS vool
impulssvool
töötsükkel
lubatud temperatuuri tõus
ümbritseva õhu temperatuur
jahutusliides
juhi laius ja paksus
läheduse efekt
liigeste vastupanu
plaadistuse paksus

 

 

Lamineeritud siinil on mitu juhtivat kihti, mis on eraldatud dielektrilise materjaliga. Iga vasekihi mõõtmete kõikumine koguneb kinnitusavadesse, klemmliidestesse ja kondensaatorite ühenduspunktidesse.

 

Täppiskomponentide jaoks saab mõõtmete juhtimise luua järgmistel viisidel:

Progressiivne stantsimine
CNC sekundaarne töötlemine
In-niitimine
Mündimine
Täpne painutamine
Laserlõikus
CMM-i kontroll

Olenevalt geomeetriast võib kontrollitud objektide puhul olla saavutatav mõõtmete tolerants ±0,01–0,05 mm, samas kui moodustatud osade üldine -tolerants tuleb määratleda vastavalt materjali paksusele, painderaadiusele ja tööriistade seisundile.

 

Tehnilisel joonisel tuleks eristada:

 

Elektriliidese mõõtmed
Mehaanilise asukoha mõõtmed
Mittefunktsionaalsed mõõtmed
Tasasuse nõuded
Ava asukoha tolerants
Nõuded keevitamise nullpunktile

 

 

 

Kõige tõhusam madala induktiivsusega{0}}struktuur saavutatakse tavaliselt väljamineva ja tagasivoolu vooluteede paigutamisel üksteisele füüsiliselt lähedale.

 

Lamineeritud struktuur võib paigutada positiivsed ja negatiivsed juhid külgnevatesse kihtidesse:

 

Cu (+) / dielektriline / Cu (-)

 

Vastandsuunalised voolusuunad tekitavad osaliselt tühistavaid magnetvälju. See vähendab silmuse pindala ja vähendab seega parasiitide induktiivsust.

 

Kõrgsageduslike{0}}siinide konstruktsiooni jaoks nõuavad järgmised parameetrid elektrilist simulatsiooni ja füüsilist kontrolli.

Juhtide vahekaugus
Vase paksus
Kihi paigutus
Terminali geomeetria
Praegune suund
Kattumisala
Via või poldi asukoht
DC-Linkkondensaatori kaugus
Pooljuhtmooduli kaugus
Anduri asukoht
Eluaseme kliirens
 

 

Vase paksuse suurendamine vähendab alalisvoolu takistust, kuid see ei tekita automaatselt madalaimat lülitusahela induktiivsust.

 

Kui positiivsed ja negatiivsed juhid on füüsiliselt eraldatud, võib 5 mm{1}}paksusel vaskplaadil siiski olla liiga suur induktiivsus.

 

Disaini parameeter	Madala{0}}induktiivsuse suund	Elektriline põhjus
Positiivne/negatiivne vahekaugus	Minimeeri	Vähendab silmuse pindala
Praegune{0}}tee kattumine	Maksimeerida	Parandab magnetvälja{0}}tühistamist
DC-Linkkondensaatori kaugus	Minimeeri	Lühendab kommutatsiooniahelat
Terminali üleminek	Kompaktne	Vähendab kohalikku induktiivset katkestust
Vase paksus	Optimeerige	Kontrollib takistust ja termilist koormust
Painded	Minimeeri järske üleminekuid	Vähendab praegust rahvast
Kinnitusdetailide asukohad	Praeguse liidese lähedal	Piirab liigeste impedantsi

 

Praktiline disainieesmärk tuleks kindlaks määrata pigem inverteri lülituskiiruse, pooljuhtide nimipinge, lubatud ületamise ja mõõdetud kommutatsiooni lainekuju, mitte üldise induktiivsuse arvu põhjal.

 

 

Vaskjuhtide vaheline dielektriline kiht peab taluma nii pidevat alalispinget kui ka korduvaid lülitussiirdeid.

 

Tüüpilised isolatsioonikujunduse muutujad on järgmised:

 

PET-kile
PI film
Epoksiidpulbervärvimine
Polüimiidsüsteemid
Valatud soojustuskonstruktsioonid

 

Nõutav dielektrilise vastupidavuse tase sõltub süsteemi pingest, siirdepingest, isolatsiooni paksusest, roomamisest, kliirensist ja keskkonnatingimustest.

 

A material specification such as dielectric breakdown strength >15 kV/mm ei tohiks käsitleda täieliku isolatsiooniprojektina. Valmis koost tuleb valideerida ka dielektrilise vastupidavuse, vajaduse korral osalise tühjenemise, termilise vananemise ja mehaanilise terviklikkuse osas.

 

 

Mitmesajavoldise alalisvooluga töötava EV-inverteri puhul ei saa isolatsioonivahet määrata ainult katte paksuse põhjal.

Disain peaks arvestama:

 

Tööpinge
Ülepinge kategooria
Reostusaste
Materjalirühm
Kõrgus merepinnast
CTI
Roomamise kaugus
Kliirensi kaugus
Siirdeamplituudi vahetamine

 

UL 94 V-0 võib määratleda isolatsioonimaterjali tuleohtlikkuse, kuid see ei asenda elektriisolatsiooni koordineerimist vastavalt kehtivatele süsteeminõuetele, nagu IEC 60664-1.

 

Küsige tasuta DFM-i hindamist ja hinnapakkumist

 

 

SiC-inverteri siinid võivad töötada mõõdukal keskmisel temperatuuril, tekitades klemmide, keevisliidete või kitsaste vooluüleminekute läheduses üle 200-kraadiseid lokaalseid levialasid.

 

Soojusprobleemi põhjustab sageli pigem lokaalne takistus kui ebapiisav vase{0}}ristlõige.

Džauli kuumutamine on järgmine:

 

P = I²R

Liigese takistuse väike tõus põhjustab suure voolu korral ebaproportsionaalselt suurema temperatuuri tõusu.

Näiteks 500 A juures tekitab ainult 100 µΩ liitetakistus:

 

P = 500² × 0.0001 = 25 W

See 25 W on koondunud suhteliselt väikesele liidesele, mitte jaotatud kogu vasest siinile.

 

 

Kõrge vooluga-siinide puhul tuleks liigendi takistust juhtida protsessivõimekuse, mitte ainult visuaalse kontrolli kaudu.

Rakendatavad liitumistehnoloogiad hõlmavad järgmist:

 

Laserkeevitus

Takistuskeevitus

TIG-keevitus

Jootmine

Molekulaarne difusioonkeevitus

Poltidega elektriühendused

Needitud juhtivad liidesed

 

Liitumise meetod	Tüüpiline tugevus	Kuum{0}}mõjutatud tsoon	Mõõtmete juhtimine	Sobiv rakendus
Laserkeevitus	Kõrge	Madal	Kõrge	Cu siini terminalid
Takistuskeevitus	Kõrge	Lokaliseeritud	Kõrge	Vahelehed ja õhukesed juhid
Ahju jootmine	Kõrge	Lai termiline kokkupuude	Keskmine	Komplekssed vasest sõlmed
Molekulaarne difusioonkeevitus	Väga kõrge liidese kvaliteet	Väga madal	Kõrge	Lamineeritud täppisstruktuurid
Poltliide	Mehaaniliselt hooldatav	Mitte ühtegi	Keskmine	Eemaldatavad ühendused

 

Vase{0}}–-vask laserkeevituse puhul on kiire neeldumine oluliselt väiksem kui paljudel terastel. Pinna seisukord, lainepikkus, võimsustihedus, kaitsegaas, vuugivahe ja soojuse eraldamine nõuavad seetõttu protsessi arendamist.

 

 

Tootmise valideerimise programm peaks ühendama mõõtmete ja soojuse mõõtmised.

Tüüpiline valideerimisjada sisaldab järgmist:

 

CMM-i terminali asukoha ja tasasuse kontroll.

Elektriliidete nelja-traadi takistuse mõõtmine.

Termopaari või RTD mõõtmine kindlaksmääratud kohtades.

Infrapuna termopildistamine tüüpilise voolu all.

Termorattasõit.

Dielektrilise vastupidavuse testimine.

Keevituse{0}}ristlõike kontroll.

Vajaduse korral purustav tõmbe- või nihkekatse.

 

Termopildistamist ei tohiks kasutada ainsa aktsepteerimismeetodina, kuna emissioon varieerub palja vase, kaetud vase, pinnakatte ja oksüdeeritud pindade vahel oluliselt.

 

 

Vase soojuspaisumise koefitsient on ligikaudu 16,5–17 ppm/kraadi. Polümeerist isolatsioonil ja külgnevatel metallkomponentidel on üldiselt erinevad koefitsiendid.

 

Korduv temperatuuritsükkel tekitab seetõttu mehaanilist pinget:

keevitatud liidesed
needitud liidesed
katte piirid
klemmi poldid
kondensaatori liidesed
andurite kinnituspunktid

 

Siinipinn peaks olema konstrueeritud nii, et soojuspaisumine ei kannaks liigset pinget DC{0}}Link kondensaatori klemmidele või inverteri pooljuhtmoodulile.

 

 

 

Siini integreerimine DC{0}}linkkondensaatori ja vooluanduriga võib lühendada toiteahelat ja vähendada koostude arvu.

Kuid mehaaniline integreerimine toob kaasa täiendavaid piiranguid.

 

Siin peab samaaegselt vastama:

Elektrivoolu võimsus
Madal hajuv induktiivsus
Kondensaatori klemmide joondamine
Anduri ava joondamine
Magnetvälja juht{0}}
Pugemine ja kliirens
Korpuse liides
Montaaži tolerants
Hoolduskõlblikkus

 

 

DC-Link kondensaator tuleks paigutada lülitusvõimsusastmele võimalikult lähedale.

 

Eesmärk on minimeerida kõrgsageduslik{0}}kommutatsioonisilmus:

 

DC-Linkkondensaator → positiivne siini → SiC moodul → negatiivne siini → DC-Linkkondensaator

 

Nende elementide vahelise füüsilise kauguse suurendamine suurendab juhtme pikkust ja silmuse pindala.

 

Sel põhjusel võib elektriliselt väikese{0}}takistusega, kuid füüsiliselt pikk siini kiire SiC ümberlülitamise korral halvemini toimida kui veidi takistuslikum, kuid tihedalt lamineeritud konstruktsioon.

 

 

Praegused andurid võivad kasutada Hall{0}}efekti, fluxgate'i, šundi või muid anduritehnoloogiaid.

 

Siini geomeetria anduri ümber peab olema kontrollitud:

 

Dirigendi asend
Anduri ava kliirens
Magnetvälja{0}}sümmeetria
Mehaaniline fikseerimine
Isolatsiooni vahekaugus
Soojusisolatsioon

 

Šundi{0}}põhise voolumõõtmissüsteemi puhul on šundi takistus- ja temperatuurikoefitsient mõõtmisarhitektuuri osa.

 

Magnetvooluandurite puhul võib juhtme asend anduri elemendi suhtes mõjutada anduri poolt nähtavat magnetvälja.

 

Siini joonis peaks seetõttu sisaldama selgesõnalisi anduri nullpunkti viiteid, mitte tuginema üldisele koostu tolerantsile.

 

 

Laserkeevituse kvaliteet sõltub tugevalt liite geomeetriast.

 

Vasest siinisõlmede puhul peaks protsessiaken kontrollima:

 

Vuugivahe

Pinna puhtus

Vase paksus

Plaadi seisukord

Laseri võimsus

Keevitamise kiirus

Tala läbimõõt

Fookuse asend

Kaitsegaas

Kinnitusrõhk

 

Stabiilne keevisõmblus tuleks kinnitada metallograafiliste ristlõigete{0}}kaudu, mitte ainult visuaalse välimuse põhjal.

 

Laadige alla siini disaini spetsifikatsioon

 

 

Autoprogrammide puhul ei anna elektriline jõudlus üksi tootmisvalmidust.

 

Tootmise valideerimise pakett võib sisaldada:

DFMEA

PFMEA

Kontrolliplaan

Protsessi voo skeem

MSA

SPC

Võimeuuringud

Mõõtmete ülevaatuse akt

Materjali sertifikaadid

Keevisõmbluse kinnitamine

Elektritakistuse andmed

Dielektrilise vastupidavuse tulemused

Termilise testi tulemused

IMDS{0}}seotud oluline teave, kui see on asjakohane

Pakendi spetsifikatsioon

Jälgitavuse kirjed

 

 

Enne masstootmist tuleks kindlaks teha -olulised-kvaliteediomadused.

 

Tüüpilised CTQ omadused on järgmised:

Aukude asend
Terminali tasasus
Vase paksus
Isolatsiooni paksus
Keevisõmbluse läbitungimine
Keevisõmbluse tugevus
Liigese takistus
Plaadi paksus
Dielektriline vastupidavus
Andurite joondamine

 

Stabiilse masstootmisprotsessi{0}} jaoks võivad kliendid määrata Cpk, mis on suurem või võrdne 1,33 või suurema väärtuse määratud kriitiliste omaduste jaoks.

Tegelik nõue peaks järgima kliendi kvaliteedikokkulepet ja kontrolliplaani, mitte rakendama üht universaalset võimekuse läve.

 

 

Kui on määratud hõbetatud{0}}liidesed, tuleks plaadistuse paksust kontrollida sobiva mõõtmismeetodi (nt XRF) abil.

Nominaalsele spetsifikatsioonile, näiteks 3–5 µm Ag-plaadile, tuleks lisada:

Alusmaterjali spetsifikatsioon

Alusplaadi spetsifikatsioon

Minimaalne lokaalne paksus

Mõõtmiskohad

Pinna ettevalmistamine

Adhesiooninõue

Korrosiooni nõue

Vasest siinide puhul rakendatakse plaatimist tavaliselt kindlaksmääratud elektriliste kontaktide aladele, mitte automaatselt kogu komponendile.

 

 

Materjali andmelehed annavad lähtepunkti. Tootmise valideerimine peab hindama valmis siini.

Testiprogramm võib sisaldada:

 

Test	Esmane eesmärk	Tüüpiline kontrollpunkt
Dielektriline vastupidavus	Elektriisolatsioon	Puudub rike
Isolatsioonitakistus	Lekkekontroll	Kliendi spetsifikatsioon
Liigese takistus	Elektriline kadu	µΩ-taseme mõõtmine
Termiline tõus	Soojuse genereerimine	Määratletud vool/koormus
Keevis{0}}ristlõige	Fusiooni kvaliteet	Läbitungimise/defekti kriteeriumid
CMM-i kontroll	Mõõtmete vastavus	Joonistamise tolerants
Plaadi paksus	Kontakti vastupidavus	XRF mõõtmine
Termorattasõit	Laienemiskindlus	Määratletud temperatuuriprofiil
Vibratsioon	Mehaaniline vastupidavus	Sõiduki/süsteemi profiil

 

 

EV siinisõlmede tootmisliin peaks säilitama jälgitavuse sissetulevast materjalist kuni lõppkontrollini.

 

Tüüpiline jälgitavuse ahel on:

 

Vaskspiraal → stantsimispartii → vormimine → keevitamine → puhastamine → isolatsioon → plaatimine → kokkupanek → elektrikatse → lõppkontroll

Protsessiandmeid saab seejärel siduda tootmispartii, masina, tööriistade seisukorra, operaatori ja kontrolli kirjega.

 

 

Tööriistastrateegia peaks algama lõplikust koostearhitektuurist, mitte lihtsalt 2D-profiili reprodutseerimisest.

 

Enne stantside valmistamist peaks inseneriülevaade hindama:

Riba paigutus

Materjali kasutamine

Terade suund

Painde jada

Springback

Läbistav koormus

Moodustav koormus

Tööriistaterase valik

Kuluvad pinnad

Burri suund

Tugistrateegia

Keevitusseade

Ülevaatusseade

 

Vasest siinide puhul võib jämeduse suund olla elektriliselt ja mehaaniliselt oluline, kui stantsitud serv asub isolatsiooni või mõne muu juhi lähedal.

 

 

Tööriista eluiga ei saa garanteerida üldise käigunumbriga.

Tegelik eluiga sõltub:

Vase kõvadus

Riba paksus

Lõikekliirens

Toru geomeetria

Surve materjal

Katmine

Vajutuskiirus

Määrimine

Osade geomeetria

Hooldusintervall

Seetõttu tuleks tööriistu jälgida kindlaksmääratud kulumispiiride ja ennetavate{0}}hoolduskriteeriumide kaudu, selle asemel, et tugineda ainult kogunenud löögiarvule.

 

 

Usaldusväärne SiC siini arendusprotsess peaks kasutama nii simulatsiooni kui ka füüsilist mõõtmist.

 

Tehnilise järjestuse saab struktureerida järgmiselt:

 

Elektriarhitektuur → 3D siini paigutus → Elektromagnetiline simulatsioon → Soojussimulatsioon → DFM → Tööriistad → Prototüüp → CMM → Keevisõmbluse valideerimine → Elektrikatse → Termotest → PPAP

 

Kriitiline punkt on see, et mõõdetud koost peab korreleeruma algse elektrimudeliga.

 

Simuleeritud 8 nH ahelast ei piisa, kui toodetud koost mõõdab 18 nH klemmide geomeetria, paigaldusriistvara või mudelist välja jäetud pistikute üleminekute tõttu.

 

 

Mudel peaks sisaldama:

 

Vaskjuhtmed

Terminali üleminekud

Keevitatud piirkonnad

Kondensaatorite ühenduspunktid

Pooljuhtmooduli liides

Kinnitused, kui need on elektriliselt olulised

Tagasitee

Anduri struktuur, kus see mõjutab voolu jaotust

 

Kõrgsageduse{0}}analüüsiks eelistatakse täielikku 3D elektromagnetilist mudelit lihtsale alalisvoolutakistuse arvutamisele

 

 

Madala takistuse iseloomustamiseks tuleks takistuse mõõtmisel kasutada Kelvini nelja{0}traadi meetodit.

Mõõtmised peaksid täpsustama:

 

Katsevool

Mõõtmispunktid

Ümbritsev temperatuur

Siini temperatuur

Stabiliseerimise aeg

Kontakti konfiguratsioon

 

Kuna vase takistus muutub koos temperatuuriga, on takistusandmetel ilma määratletud katsetemperatuurita piiratud tehniline väärtus.

 

 

Kohandatud vasest siini EV Drive'i rakenduste jaoks tuleks käsitleda pigem elektromagnetilise, termilise ja mehaanilise koostuna, mitte stantsitud vaskkomponendina.

 

SiC veomuundurite puhul on tehnilised prioriteedid mõõdetavad:

<10 nH target for the defined high-frequency commutation loop
97–100% IACS vase juhtivus sõltuvalt klassist
Kontrollitud µΩ-taseme ühendustakistus
Kohalik soojusvõimsus üle 200 kraadi, kui süsteem seda nõuab
Määratletud dielektriline tugevus ja isolatsiooni koordineerimine
±0,01–0,05 mm juhtimine valitud täppisfunktsioonidel, kui disain seda võimaldab
CMM{0}}põhine mõõtmete kinnitamine
Metallograafilise keevisõmbluse valideerimine
XRF-plaadistuse{0}}paksuse kontrollimine
IATF 16949 tootmiskontrollid
PPAP 3. taseme dokumentatsioon, kui klient on määranud

 

Õige siin on see, mille elektrimudel, termiline mudel, tootmisprotsess ja kontrolliandmed ühtivad samade projekteerimisnõuetega.

 

 

Millised dokumendid sisalduvad tavaliselt EV SiC inverteri siini PPAP Level 3 paketis?

PPAP 3. taseme pakett sisaldab tavaliselt PSW-d, jooniseid, materjalikirjeid, mõõtmete tulemusi, PFMEA-d, juhtimisplaani, protsessivoogu, MSA-d, võimeuuringuid ja kohaldatavaid valideerimisaruandeid.

 

Kui kaua võtab kohandatud vasest inverteri siini jaoks aega T1 tööriistade ja prototüübi proovide võtmine?

T1 tüüpilise arendustsükli saab planeerida umbes 20–30 päevaks, olenevalt geomeetriast, järkjärgulisest-vormi keerukusest, keevitusseadmetest, materjalide saadavusest ja kliendi joonise kinnitusest.

 

Kuidas kontrollitakse hõbedamise paksust avasest siiniterminal?

Hõbedamise paksust kontrollitakse tavaliselt kindlaksmääratud kontrollikohtades XRF-mõõtmisega. Joonisel tuleks täpsustada minimaalse paksuse, mõõtmisala, aluspinna ja alusplaadi nõuded.