10–100 kHz'de SiC İnvertör Anahtarlaması: Bara Parazitleri Neden Önemlidir

SiC invertör barası yalnızca düşük-dirençli bir iletken değildir. Yüksek-frekans anahtarlama sırasında bara, anahtarlama döngüsünün bir parçasını oluşturur ve onun parazitik endüktansı, V=L × di/dt'ye göre voltaj aşımına doğrudan katkıda bulunur. EV çekiş invertörleri için pratik bir tasarım hedefi genellikle yüksek-akım değiştirme yolunu 10 nH'nin altında tutarken kontrollü kaçak, açıklık, sıcaklık artışı ve mekanik toleransı korumaktır.

 

Bu nedenle, özel bir SiC İnverter Bara Düzeneği için elektrik, termal ve mekanik tasarım tek bir yapı olarak geliştirilmelidir: C1100 bakır seçimi, lamine geometri, dielektrik yalıtım, lazer veya direnç kaynağı, DC-Bağlantı kapasitör entegrasyonu ve akım-sensör konumlandırmasının tümü son anahtarlama-döngü performansını etkiler.
 

 

 

SiC MOSFET'ler, geleneksel silikon IGBT'lerden önemli ölçüde daha hızlı geçiş yapabilir. Ortaya çıkan yüksek di/dt, düşük-frekanslı güç aşamalarında sınırlı etkiye sahip olabilecek parazitik endüktansı açığa çıkarır.

 

İndüklenen voltaj şu şekilde ifade edilebilir:

 

Vₗ=Lₚ × di/dt

Nerede:

Vₗ=parazitik endüktif voltaj
Lₚ=parazitik döngü endüktansı
di/dt=mevcut değişim hızı

 

Örneğin, bir komütasyon döngüsünde 20 nH parazitik endüktans varsa ve akım 2 kA/μs'de değişiyorsa, endüktif voltaj katkısı yaklaşık 40 V'tur.

 

Bu nedenle, bara yığını içindeki fiziksel döngü alanının ve karşıt manyetik alanların azaltılması, yarı iletken voltaj değerini artırmadan anahtarlama aşımını azaltabilir.

 

 

C1100/C11000 oksijen-içermeyen veya elektrolitik sert-kademeli bakır, yüksek elektrik iletkenliği ve şekillendirme kapasitesi nedeniyle yüksek-akımlı bara yapımında yaygın olarak kullanılır.

 

Malzeme	Tipik İletkenlik	Ana Avantaj	Tipik Bara Uygulaması
C1100 Bakır	~%97–100 IACS	Düşük DC direnci	DC-Bağlantı ve invertör güç yolu
C1020 Oksijen-Serbest Bakır	~%100 IACS	Yüksek iletkenlik, düşük oksijen içeriği	Yüksek-akımlı güç elektroniği
C2680 Pirinç	~%25–30 IACS	Daha yüksek mukavemet, şekillendirilebilirlik	Terminaller, braketler, donanım
Alüminyum 6061	~%40 IACS	Düşük yoğunluk, yapısal dayanıklılık	Ağırlığa-duyarlı iletkenler

 

Yüksek-akımlı bir SiC invertör için, normalde birincil akım yolu için C1100 bakır seçilirken, elektrik iletkenliğinin ikincil olduğu mekanik montaj bileşenleri için pirinç veya kaplamalı çelik kullanılabilir.

 

Bakır kalınlığı yalnızca mevcut değere göre seçilmez. Tasarım şunları hesaba katmalıdır:

RMS akımı
darbe akımı
görev döngüsü
izin verilen sıcaklık artışı
ortam sıcaklığı
soğutma arayüzü
iletken genişliği ve kalınlığı
yakınlık etkisi
eklem direnci
kaplama kalınlığı

 

 

Lamine bara, dielektrik malzemeyle ayrılmış birden fazla iletken katman içerir. Her bakır katmandaki boyutsal farklılıklar montaj deliklerinde, terminal arayüzlerinde ve kapasitör bağlantı noktalarında birikir.

 

Hassas bileşenler için boyut kontrolü şu yollarla sağlanabilir:

Aşamalı kalıp damgalama
CNC ikincil işleme
Kalıp-perçinlemede
Kaplama
Hassas bükme
Lazer düzeltme
CMM denetimi

Geometriye bağlı olarak, kontrollü özelliklerde ±0,01–0,05 mm'lik bir boyut toleransına ulaşılabilirken, genel şekillendirilmiş-parça toleransı malzeme kalınlığına, bükülme yarıçapına ve işleme durumuna göre tanımlanmalıdır.

 

Mühendislik çizimi aşağıdakileri birbirinden ayırmalıdır:

 

Elektrik arayüzü boyutları
Mekanik yerleştirme boyutları
İşlevsel-olmayan boyutlar
Düzlük gereksinimleri
Delik konumu toleransı
Kaynak verisi gereksinimleri

 

 

 

En etkili düşük-endüktans yapısı genellikle giden ve dönüş akım yollarının fiziksel olarak birbirine yakın yerleştirilmesiyle elde edilir.

 

Lamine bir yapı, pozitif ve negatif iletkenleri bitişik katmanlara konumlandırabilir:

 

Cu (+) / Dielektrik / Cu (-)

 

Zıt akım yönleri kısmen iptal eden manyetik alanlar üretir. Bu, döngü alanını azaltır ve dolayısıyla parazitik endüktansı azaltır.

 

Yüksek-frekanslı bir bara tasarımı için aşağıdaki parametreler elektriksel simülasyon ve fiziksel doğrulama gerektirir:

İletken aralığı
Bakır kalınlığı
Katman düzenlemesi
Terminal geometrisi
Mevcut yön
Örtüşme alanı
Via veya cıvata konumu
DC-Bağlantı kapasitör mesafesi
Yarı iletken modül mesafesi
Sensör konumu
Konut temizliği
 

 

Bakır kalınlığının arttırılması DC direncini azaltır, ancak otomatik olarak en düşük anahtarlama-döngüsü endüktansını üretmez.

 

5 mm-kalınlığında bir bakır levha, eğer pozitif ve negatif iletkenler fiziksel olarak ayrılmışsa yine de aşırı döngü endüktansı sergileyebilir.

 

Tasarım Parametresi	Düşük-Endüktans Yönü	Elektrik Sebebi
Pozitif/negatif aralık	Küçült	Döngü alanını azaltır
Mevcut-yol çakışması	Büyüt	Manyetik-alan iptalini iyileştirir
DC-Bağlantı kapasitör mesafesi	Küçült	Komutasyon döngüsünü kısaltır
Terminal geçişi	Kompakt	Yerel endüktif süreksizliği azaltır
Bakır kalınlığı	Optimize et	Direnci ve termal yüklemeyi kontrol eder
Virajlar	Ani geçişleri en aza indirin	Mevcut kalabalığı azaltır
Bağlantı elemanı konumları	Mevcut arayüze yakın	Eklem empedansını sınırlar

 

Pratik tasarım hedefi, genel bir endüktans sayısından ziyade invertörün anahtarlama hızından, yarı iletken voltaj değerinden, izin verilen aşımdan ve ölçülen komütasyon dalga biçiminden belirlenmelidir.

 

 

Bakır iletkenler arasındaki dielektrik katman hem sürekli DC voltajına hem de tekrarlayan anahtarlama geçişlerine dayanmalıdır.

 

Tipik yalıtım tasarımı değişkenleri şunları içerir:

 

PET filmi
PI filmi
Epoksi toz kaplama
Poliimid sistemler
Kalıplanmış yalıtım yapıları

 

Gerekli dielektrik dayanım seviyesi sistem voltajına, geçici voltaja, yalıtım kalınlığına, sızıntıya, açıklığa ve çevre koşullarına bağlıdır.

 

A material specification such as dielectric breakdown strength >15 kV/mm, yalıtım tasarımının tamamı olarak değerlendirilmemelidir. Bitmiş düzeneğin aynı zamanda dielektrik dayanım, uygulanabildiği yerde kısmi deşarj, termal yaşlanma ve mekanik bütünlük açısından da doğrulanması gerekir.

 

 

Birkaç yüz volt DC'de çalışan bir EV invertörü için yalıtım aralığı yalnızca kaplama kalınlığından belirlenemez.

Tasarım şunları dikkate almalıdır:

 

Çalışma voltajı
Aşırı gerilim kategorisi
Kirlilik derecesi
Malzeme grubu
Rakım
CTI
Kaçma mesafesi
Açıklık mesafesi
Geçici genliğin değiştirilmesi

 

UL 94 V-0, bir yalıtım malzemesinin yanıcılık performansını tanımlayabilir ancak IEC 60664-1 gibi geçerli sistem gereksinimlerine göre elektrik yalıtım koordinasyonunun yerini almaz.

 

Ücretsiz DFM Değerlendirmesi ve Fiyat Teklifi İsteyin

 

 

Bir SiC invertör barası, terminallerin, kaynaklı bağlantıların veya dar akım geçişlerinin yakınında 200 derecenin üzerinde lokalize sıcak noktalar geliştirirken orta düzeyde bir ortalama sıcaklıkta çalışabilir.

 

Termal sorun genellikle yetersiz toplam bakır kesitinden ziyade lokal dirençten kaynaklanır-.

Joule ısıtması şöyledir:

 

P = I²R

Bağlantı direncindeki küçük bir artış, yüksek akımda orantısız olarak daha büyük bir sıcaklık artışına neden olur.

Örneğin, 500 A'da yalnızca 100 µΩ'luk bir bağlantı direnci şunu üretir:

 

P = 500² × 0.0001 = 25 W

Bu 25 W, bakır baranın tamamına dağıtılmak yerine nispeten küçük bir arayüzde yoğunlaşmıştır.

 

 

Yüksek-akımlı bara düzenekleri için bağlantı direnci, yalnızca görsel inceleme yerine süreç yeteneği yoluyla kontrol edilmelidir.

Uygulanabilir birleştirme teknolojileri şunları içerir:

 

Lazer kaynak

Direnç kaynağı

TIG kaynağı

Lehimleme

Moleküler difüzyon kaynağı

Cıvatalı elektrik bağlantıları

Perçinlenmiş iletken arayüzler

 

Birleştirme Yöntemi	Tipik Güç	Isıdan-Etkilenen Bölge	Boyutsal Kontrol	Uygun Uygulama
Lazer kaynak	Yüksek	Düşük	Yüksek	Cu bara terminalleri
Direnç kaynağı	Yüksek	Yerelleştirilmiş	Yüksek	Sekmeler ve ince iletkenler
Fırın lehimleme	Yüksek	Geniş termal maruziyet	Orta	Karmaşık bakır düzenekleri
Moleküler difüzyon kaynağı	Çok yüksek arayüz kalitesi	Çok düşük	Yüksek	Hassas lamine yapılar
Cıvatalı bağlantı	Mekanik olarak servis yapılabilir	Hiçbiri	Orta	Çıkarılabilir bağlantılar

 

Bakır-bakır-lazer kaynağında ışın emilimi birçok çeliğe göre önemli ölçüde daha düşüktür. Yüzey durumu, dalga boyu, güç yoğunluğu, koruyucu gaz, bağlantı aralığı ve ısı ekstraksiyonu bu nedenle proses geliştirmeyi gerektirir.

 

 

Bir üretim doğrulama programı boyutsal ve termal ölçümleri birleştirmelidir.

Tipik bir doğrulama dizisi şunları içerir:

 

Terminal konumu ve düzlüğünün CMM denetimi.

Elektrik bağlantılarının dört-kablolu direnç ölçümü.

Tanımlanan konumlarda termokupl veya RTD ölçümü.

Temsili akım altında kızılötesi termal görüntüleme.

Termal bisiklet.

Dielektrik dayanım testi.

Kaynak kesitinin-muayene edilmesi.

Uygun olduğu yerde yıkıcı çekme veya kesme testi.

 

Termal görüntüleme tek kabul yöntemi olarak kullanılmamalıdır çünkü emisyon oranı çıplak bakır, kaplanmış bakır, kaplama ve oksitlenmiş yüzeyler arasında önemli ölçüde farklılık gösterir.

 

 

Bakırın termal genleşme katsayısı yaklaşık 16,5–17 ppm/derecedir. Polimer izolasyon ve bitişik metal bileşenler genellikle farklı katsayılara sahiptir.

 

Bu nedenle tekrarlanan sıcaklık döngüsü aşağıdaki durumlarda mekanik stres yaratır:

kaynaklı arayüzler
perçinlenmiş arayüzler
kaplama sınırları
terminal cıvataları
kapasitör arayüzleri
sensör montaj noktaları

 

Bara yığını, termal genleşmenin aşırı gerilimi DC-Bağlantı kapasitör terminallerine veya invertör yarı iletken modülüne aktarmayacağı şekilde tasarlanmalıdır.

 

 

 

Barayı DC-Bağlantı kapasitörü ve akım sensörüyle entegre etmek, güç döngüsünü kısaltabilir ve montaj sayısını azaltabilir.

Ancak mekanik entegrasyon ek kısıtlamalar getirir.

 

Bara aynı anda şunları sağlamalıdır:

Elektrik akımı kapasitesi
Düşük kaçak endüktans
Kondansatör terminal hizalaması
Sensör açıklığı hizalaması
Manyetik-alan kontrolü
Sızıntı ve açıklık
Muhafaza arayüzü
Montaj toleransı
Servis kolaylığı

 

 

DC-Bağlantı kapasitörü anahtarlama güç aşamasına mümkün olduğu kadar yakın konumlandırılmalıdır.

 

Amaç, yüksek-frekans değişim döngüsünü en aza indirmektir:

 

DC-Bağlantı kapasitörü → pozitif bara → SiC modülü → negatif bara → DC-Bağlantı kapasitörü

 

Bu elemanlar arasındaki fiziksel mesafenin arttırılması iletken uzunluğunu ve döngü alanını arttırır.

 

Bu nedenle, elektriksel olarak düşük-dirençli ancak fiziksel olarak uzun olan bir bara, hızlı SiC geçişi sırasında biraz daha dirençli ancak sıkı lamine edilmiş bir tasarıma göre daha kötü performans gösterebilir.

 

 

Mevcut sensörler Hall-efekti, fluxgate, şönt veya diğer algılama teknolojilerini kullanabilir.

 

Sensörün etrafındaki bara geometrisi kontrollü tutulmalıdır:

 

İletken konumu
Sensör açıklığı açıklığı
Manyetik-alan simetrisi
Mekanik sabitleme
Yalıtım aralığı
Isı yalıtımı

 

Şönt-tabanlı bir akım ölçüm sistemi için şöntun direnci ve sıcaklık katsayısı, ölçüm mimarisinin bir parçasıdır.

 

Manyetik akım sensörleri için, algılama elemanına göre iletken konumu, sensör tarafından görülen manyetik alanı etkileyebilir.

 

Bu nedenle bara çizimi, genel montaj toleransına dayanmak yerine açık sensör veri referanslarını içermelidir.

 

 

Lazer kaynak kalitesi büyük ölçüde bağlantı geometrisine bağlıdır.

 

Bakır bara düzenekleri için proses penceresi şunları kontrol etmelidir:

 

Derz boşluğu

Yüzey temizliği

Bakır kalınlığı

Kaplama durumu

Lazer gücü

Kaynak hızı

Işın çapı

Odak konumu

Koruyucu gaz

Sıkıştırma basıncı

 

Stabil bir kaynak, yalnızca görsel görünüm yerine metalografik kesitlerle-doğrulanmalıdır.

 

Bara Tasarım Şartnamesini İndirin

 

 

Otomotiv programları için elektrik performansı tek başına üretime hazırlığı sağlamaz.

 

Bir üretim doğrulama paketi şunları içerebilir:

DFMEA

PFMEA

Kontrol Planı

Süreç Akış Şeması

MSA

SPC

Yetenek çalışmaları

Boyutsal inceleme raporu

Malzeme sertifikaları

Kaynak doğrulama

Elektriksel direnç verileri

Dielektrik dayanım sonuçları

Termal test sonuçları

Geçerli olduğu yerde IMDS-ile ilgili maddi bilgiler

Ambalaj özellikleri

İzlenebilirlik kayıtları

 

 

Kalite-için-kritik özellikler seri üretimden önce tanımlanmalıdır.

 

Tipik CTQ özellikleri şunları içerir:

Delik konumu
Terminal düzlüğü
Bakır kalınlığı
Yalıtım kalınlığı
Kaynak penetrasyonu
Kaynak gücü
Eklem direnci
Kaplama kalınlığı
Dielektrik dayanım
Sensör hizalaması

 

İstikrarlı bir seri-üretim süreci için müşteriler, belirlenen kritik özellikler için Cpk'yi 1,33'ten büyük veya eşit ya da daha yüksek bir değer belirtebilir.

Gerçek gereksinim, tek bir evrensel yetenek eşiği uygulamak yerine müşterinin kalite anlaşmasına ve kontrol planına uygun olmalıdır.

 

 

Gümüş-kaplamalı arayüzlerin belirtildiği durumlarda kaplama kalınlığı, XRF gibi uygun bir ölçüm yöntemi kullanılarak doğrulanmalıdır.

3–5 µm Ag kaplama gibi nominal bir spesifikasyona aşağıdakiler eşlik etmelidir:

Temel malzeme özellikleri

Alt plaka özellikleri

Minimum yerel kalınlık

Ölçüm yerleri

Yüzey hazırlığı

Yapışma gereksinimi

Korozyon gereksinimi

Bakır baralar için kaplama, normalde tüm bileşenin tamamına otomatik olarak uygulanması yerine tanımlanmış elektrik temas alanlarına uygulanır.

 

 

Malzeme veri sayfaları bir başlangıç ​​noktası sağlar. Üretim doğrulaması bitmiş barayı değerlendirmelidir.

Test programı şunları içerebilir:

 

Test	Birincil Amaç	Tipik Kontrol Noktası
Dielektrik dayanım	Elektrik yalıtımı	Arıza yok
Yalıtım direnci	Sızıntı kontrolü	Müşteri özellikleri
Eklem direnci	Elektrik kaybı	µΩ-seviye ölçümü
Termal yükselme	Isı üretimi	Tanımlanmış akım/yük
Kaynak kesiti-	Füzyon kalitesi	Penetrasyon/kusur kriterleri
CMM denetimi	Boyutsal uygunluk	Çizim toleransı
Kaplama kalınlığı	Temas dayanıklılığı	XRF ölçümü
Termal bisiklet	Genişleme dayanıklılığı	Tanımlanmış sıcaklık profili
Titreşim	Mekanik dayanıklılık	Araç/sistem profili

 

 

EV bara düzeneklerine yönelik bir üretim hattı, son incelemeye kadar gelen malzemenin izlenebilirliğini sağlamalıdır.

 

Tipik bir izlenebilirlik zinciri şöyledir:

 

Bakır Rulo → Damgalama Lotu → Şekillendirme → Kaynak → Temizleme → Yalıtım → Kaplama → Montaj → Elektrik Testi → Son Muayene

Proses verileri daha sonra üretim partisine, makineye, takım durumuna, operatöre ve denetim kaydına bağlanabilir.

 

 

Takım stratejisi, yalnızca bir 2D profili yeniden oluşturmak yerine son montaj mimarisiyle başlamalıdır.

 

Kalıp imalatından önce mühendislik incelemesi şunları değerlendirmelidir:

Şerit düzeni

Malzeme kullanımı

Tahıl yönü

Bükme sırası

Geri yaylanma

Delme yükü

Yük oluşturma

Takım çeliği seçimi

Aşınma yüzeyleri

Çapak yönü

Datum stratejisi

Kaynak fikstürü

Muayene fikstürü

 

Bakır baralar için, damgalı kenarın yalıtımın veya başka bir iletkenin yakınına yerleştirildiği durumlarda çapak yönü elektriksel ve mekanik olarak önemli olabilir.

 

 

Takım ömrü genel bir strok numarasıyla garanti edilemez.

Gerçek yaşam şunlara bağlıdır:

Bakır sertliği

Şerit kalınlığı

Kesme boşluğu

Delme geometrisi

Kalıp malzemesi

Kaplama

Basın hızı

Yağlama

Parça geometrisi

Bakım aralığı

Bu nedenle takımlar, yalnızca birikmiş vuruş sayısına dayanmak yerine, tanımlanmış aşınma sınırları ve önleyici{0}}bakım kriterleri aracılığıyla izlenmelidir.

 

 

Güvenilir bir SiC bara geliştirme süreci hem simülasyonu hem de fiziksel ölçümü kullanmalıdır.

 

Mühendislik sırası şu şekilde yapılandırılabilir:

 

Elektrik Mimarisi → 3D Bara Düzeni → Elektromanyetik Simülasyon → Termal Simülasyon → DFM → Kalıplama → Prototip → CMM → Kaynak Doğrulaması → Elektrik Testi → Termal Test → PPAP

 

Kritik nokta, ölçülen düzeneğin orijinal elektrik modeliyle uyumlu olması gerektiğidir.

 

Modelin dışında bırakılan terminal geometrisi, montaj donanımı veya konnektör geçişleri nedeniyle üretilen düzenek 18 nH ölçüyorsa simüle edilmiş bir 8 nH döngüsü yeterli değildir.

 

 

Model şunları içermelidir:

 

Bakır iletkenler

Terminal geçişleri

Kaynaklı bölgeler

Kondansatör bağlantı noktaları

Yarı iletken modül arayüzü

Elektrikle ilgili yerlerde bağlantı elemanları

Dönüş yolu

Akım dağılımını etkileyen sensör yapısı

 

Yüksek-frekans analizi için, basit bir DC direnç hesaplamasına göre eksiksiz bir 3D elektromanyetik model tercih edilir

 

 

Direnç ölçümünde, düşük direncin karakterize edildiği Kelvin dört{0}tel yöntemi kullanılmalıdır.

Ölçümler şunları belirtmelidir:

 

Test akımı

Ölçüm noktaları

Ortam sıcaklığı

Bara sıcaklığı

Stabilizasyon süresi

İletişim yapılandırması

 

Bakır direnci sıcaklıkla değiştiğinden, tanımlanmış bir test sıcaklığı olmayan direnç verilerinin mühendislik değeri sınırlıdır.

 

 

EV Sürücü uygulamaları için Özel Bakır Bara, damgalı bir bakır bileşen yerine elektromanyetik, termal ve mekanik bir montaj olarak ele alınmalıdır.

 

SiC çekiş invertörleri için mühendislik öncelikleri ölçülebilir:

<10 nH target for the defined high-frequency commutation loop
Dereceye bağlı olarak %97–100 IACS bakır iletkenliği
Kontrollü µΩ-seviye eklem direnci
Sistemin gerektirdiği yerlerde 200 derecenin üzerinde lokal termal kapasite
Tanımlanmış dielektrik mukavemeti ve izolasyon koordinasyonu
Tasarımın izin verdiği durumlarda seçilen hassas özellikler üzerinde ±0,01–0,05 mm kontrol
CMM-tabanlı boyut doğrulama
Metalografik kaynak doğrulama
XRF kaplama-kalınlık doğrulaması
IATF 16949 üretim kontrolleri
Müşteri tarafından belirtildiğinde PPAP Düzey 3 belgeleri

 

Doğru bara, elektrik modeli, termal modeli, üretim süreci ve denetim verileri aynı tasarım gerekliliklerine göre birleşen baradır.

 

 

Bir EV SiC invertör barası için PPAP Seviye 3 paketinde normalde hangi belgeler bulunur?

Bir PPAP Seviye 3 paketi tipik olarak PSW'yi, çizimleri, malzeme kayıtlarını, boyutsal sonuçları, PFMEA'yı, Kontrol Planını, süreç akışını, MSA'yı, yetenek çalışmalarını ve geçerli doğrulama raporlarını içerir.

 

Özel bir bakır invertör barası için T1 takımlama ve prototip örneklemesi ne kadar sürer?

Tipik bir T1 geliştirme döngüsü, geometriye, aşamalı-kalıp karmaşıklığına, kaynak fikstürlerine, malzeme mevcudiyetine ve müşteri çizim onayına bağlı olarak yaklaşık 20-30 gün planlanabilir.

 

Gümüş kaplama kalınlığı nasıl doğrulanır?bakır bara terminali?

Gümüş kaplama kalınlığı genellikle tanımlanmış denetim konumlarında XRF ölçümüyle doğrulanır. Çizimde minimum kalınlık, ölçüm alanı, alt tabaka ve alt plaka gereksinimleri belirtilmelidir.