Comutação do inversor SiC em 10–100 kHz: Por que os parasitas de barramento são importantes

Um barramento inversor de SiC não é simplesmente um condutor-de baixa resistência. Durante a comutação de alta-frequência, o barramento faz parte do circuito de comutação e sua indutância parasita contribui diretamente para o excesso de tensão de acordo com V=L × di/dt. Para inversores de tração EV, uma meta prática de projeto geralmente é manter o caminho de comutação de alta-corrente abaixo de 10 nH, mantendo ao mesmo tempo a fuga controlada, a folga, o aumento de temperatura e a tolerância mecânica.

 

Para um conjunto de barramento inversor SiC personalizado, o projeto elétrico, térmico e mecânico deve, portanto, ser desenvolvido como uma estrutura: seleção de cobre C1100, geometria laminada, isolamento dielétrico, soldagem a laser ou por resistência, integração de capacitor de link CC-e posicionamento do sensor-de corrente afetam o desempenho do circuito-de comutação final.
 

 

 

Os MOSFETs de SiC podem comutar substancialmente mais rápido que os IGBTs de silício convencionais. O alto di/dt resultante expõe indutância parasita que pode ter tido impacto limitado em estágios de potência de frequência-mais baixas.

 

A tensão induzida pode ser expressa como:

 

Vₗ=Lₚ × di/dt

Onde:

Vₗ=tensão indutiva parasita
Lₚ=indutância de loop parasita
di/dt=taxa de variação atual

 

Por exemplo, se um circuito de comutação tiver 20 nH de indutância parasita e a corrente mudar a 2 kA/µs, a contribuição da tensão indutiva será de aproximadamente 40 V.

 

A redução da área do loop físico e dos campos magnéticos opostos dentro da pilha de barramentos pode, portanto, reduzir o overshoot de comutação sem aumentar a classificação de tensão do semicondutor.

 

 

O cobre de passo C1100/C11000-livre de oxigênio ou eletrolítico-é amplamente utilizado na construção de barramentos de alta-corrente devido à sua alta condutividade elétrica e capacidade de formação.

 

Material	Condutividade Típica	Principal vantagem	Aplicação típica de barramento
C1100 Cobre	~97–100% IACS	Baixa resistência CC	Link-CC e caminho de alimentação do inversor
C1020 Oxigênio-Cobre Livre	~100% IACS	Alta condutividade, baixo teor de oxigênio	Eletrônica de potência-de alta corrente
C2680 Latão	~25–30% IACS	Maior resistência, conformabilidade	Terminais, suportes, hardware
Alumínio 6061	~40% IACS	Baixa densidade, resistência estrutural	Condutores-sensíveis ao peso

 

Para um inversor SiC de alta-corrente, o cobre C1100 normalmente é selecionado para o caminho da corrente primária, enquanto latão ou aço revestido podem ser usados ​​para componentes de montagem mecânica onde a condutividade elétrica é secundária.

 

A espessura do cobre não é selecionada apenas pela classificação atual. O design deve levar em conta:

Corrente eficaz
corrente de pulso
ciclo de trabalho
aumento de temperatura permitido
temperatura ambiente
interface de resfriamento
largura e espessura do condutor
efeito de proximidade
resistência articular
espessura do revestimento

 

 

Um barramento laminado contém múltiplas camadas condutoras separadas por material dielétrico. A variação dimensional em cada camada de cobre se acumula nos orifícios de montagem, nas interfaces dos terminais e nos pontos de conexão do capacitor.

 

Para componentes de precisão, o controle dimensional pode ser estabelecido através de:

Estampagem progressiva
Usinagem secundária CNC
Em-morrer fascinante
Cunhando
Dobragem de precisão
Corte a laser
Inspeção CMM

Dependendo da geometria, uma tolerância dimensional de ±0,01–0,05 mm pode ser alcançada em recursos controlados, enquanto a tolerância geral da peça-formada deve ser definida de acordo com a espessura do material, raio de curvatura e condição da ferramenta.

 

O desenho de engenharia deve distinguir entre:

 

Dimensões da interface elétrica
Dimensões de localização mecânica
Dimensões não{0}}funcionais
Requisitos de planicidade
Tolerância de posição do furo
Requisitos de dados de soldagem

 

 

 

A estrutura de baixa{0}indutância mais eficaz geralmente é obtida colocando os caminhos de corrente de saída e de retorno fisicamente próximos um do outro.

 

Uma estrutura laminada pode posicionar condutores positivos e negativos em camadas adjacentes:

 

Cu (+) / Dielétrico / Cu (-)

 

As direções opostas da corrente geram campos magnéticos parcialmente cancelados. Isto reduz a área do loop e, portanto, reduz a indutância parasita.

 

Para um projeto de barramento-de alta frequência, os seguintes parâmetros exigem simulação elétrica e verificação física:

Espaçamento entre condutores
Espessura do cobre
Arranjo de camadas
Geometria terminal
Direção atual
Área de sobreposição
Via ou localização do parafuso
Distância-do capacitor do link CC
Distância do módulo semicondutor
Localização do sensor
Liberação de habitação
 

 

O aumento da espessura do cobre reduz a resistência CC, mas não produz automaticamente a menor indutância do circuito-de comutação.

 

Uma placa de cobre com 5 mm-de espessura ainda pode apresentar indutância de loop excessiva se os condutores positivo e negativo estiverem fisicamente separados.

 

Parâmetro de projeto	Direção-de indutância baixa	Razão Elétrica
Espaçamento positivo/negativo	Minimizar	Reduz a área do loop
Sobreposição de caminho-atual	Maximizar	Melhora o cancelamento do campo-magnético
Distância-do capacitor do link CC	Minimizar	Encurta o ciclo de comutação
Transição terminal	Compactar	Reduz a descontinuidade indutiva local
Espessura do cobre	Otimizar	Controla a resistência e a carga térmica
Curvas	Minimize transições abruptas	Reduz a aglomeração atual
Locais de fixação	Interface próxima da atual	Limita a impedância conjunta

 

A meta prática do projeto deve ser estabelecida a partir da velocidade de comutação do inversor, da tensão nominal do semicondutor, do overshoot permitido e da forma de onda de comutação medida, em vez de um número genérico de indutância.

 

 

A camada dielétrica entre os condutores de cobre deve suportar tensão CC contínua e transientes de comutação repetitivos.

 

As variáveis ​​típicas de projeto de isolamento incluem:

 

Filme PET
Filme PI
Revestimento em pó epóxi
Sistemas de poliimida
Estruturas de isolamento moldadas

 

O nível de resistência dielétrica necessário depende da tensão do sistema, tensão transitória, espessura do isolamento, escoamento, folga e condições ambientais.

 

A material specification such as dielectric breakdown strength >15 kV/mm não deve ser tratado como o projeto de isolamento completo. A montagem acabada também deve ser validada quanto à resistência dielétrica, descarga parcial quando aplicável, envelhecimento térmico e integridade mecânica.

 

 

Para um inversor EV operando a várias centenas de volts CC, o espaçamento do isolamento não pode ser determinado apenas pela espessura do revestimento.

O projeto deve considerar:

 

Tensão de trabalho
Categoria de sobretensão
Grau de poluição
Grupo de materiais
Altitude
CTI
Distância de fuga
Distância livre
Comutação de amplitude transitória

 

A UL 94 V-0 pode definir o desempenho de inflamabilidade para um material de isolamento, mas não substitui a coordenação do isolamento elétrico de acordo com os requisitos de sistema aplicáveis, como a IEC 60664-1.

 

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Um barramento inversor de SiC pode operar a uma temperatura média moderada enquanto desenvolve pontos de acesso localizados acima de 200 graus perto de terminais, juntas soldadas ou transições estreitas de corrente.

 

O problema térmico geralmente é causado por resistência localizada, e não por seção transversal de cobre total-insuficiente.

O aquecimento Joule segue:

 

P = I²R

Um pequeno aumento na resistência da junta produz um aumento de temperatura desproporcionalmente maior em correntes altas.

Por exemplo, a 500 A, uma resistência conjunta de apenas 100 µΩ produz:

 

P = 500² × 0.0001 = 25 W

Esses 25 W estão concentrados em uma interface relativamente pequena, em vez de distribuídos por todo o barramento de cobre.

 

 

Para conjuntos de barramentos de alta-corrente, a resistência da junta deve ser controlada por meio da capacidade do processo, e não apenas pela inspeção visual.

As tecnologias de união aplicáveis ​​incluem:

 

Soldagem a laser

Soldagem por resistência

Soldagem TIG

Brasagem

Soldagem por difusão molecular

Juntas elétricas aparafusadas

Interfaces condutoras rebitadas

 

Método de adesão	Força Típica	Calor-Zona afetada	Controle Dimensional	Aplicação adequada
Soldagem a laser	Alto	Baixo	Alto	Terminais de barramento Cu
Soldagem por resistência	Alto	Localizado	Alto	Guias e condutores finos
Brasagem de forno	Alto	Ampla exposição térmica	Médio	Conjuntos complexos de cobre
Soldagem por difusão molecular	Qualidade de interface muito alta	Muito baixo	Alto	Estruturas laminadas de precisão
Junta aparafusada	Manutenção mecânica	Nenhum	Médio	Conexões removíveis

 

Para soldagem a laser de cobre-a{1}}cobre, a absorção do feixe é significativamente menor do que para muitos aços. A condição da superfície, o comprimento de onda, a densidade de potência, o gás de proteção, a folga das juntas e a extração de calor exigem, portanto, o desenvolvimento do processo.

 

 

Um programa de validação de produção deve combinar medições dimensionais e térmicas.

Uma sequência de validação típica inclui:

 

Inspeção CMM da posição e planicidade do terminal.

Medição de resistência-de quatro fios de juntas elétricas.

Medição por termopar ou RTD em locais definidos.

Imagens térmicas infravermelhas sob corrente representativa.

Ciclo térmico.

Teste de resistência dielétrica.

Inspeção da seção-transversal da solda.

Testes destrutivos de tração ou cisalhamento, quando aplicável.

 

A imagem térmica não deve ser usada como único método de aceitação porque a emissividade varia significativamente entre cobre puro, cobre revestido, revestimento e superfícies oxidadas.

 

 

O cobre tem um coeficiente de expansão térmica de aproximadamente 16,5–17 ppm/grau. O isolamento de polímero e os componentes metálicos adjacentes geralmente têm coeficientes diferentes.

 

Os ciclos repetidos de temperatura criam, portanto, estresse mecânico em:

interfaces soldadas
interfaces rebitadas
limites de revestimento
parafusos terminais
interfaces de capacitor
pontos de montagem do sensor

 

A pilha de barramentos deve ser projetada de modo que a expansão térmica não transfira tensão excessiva para os terminais do capacitor do link CC ou para o módulo semicondutor do inversor.

 

 

 

A integração do barramento com o capacitor do link-CC e o sensor de corrente pode encurtar o circuito de energia e reduzir a contagem de montagens.

No entanto, a integração mecânica introduz restrições adicionais.

 

O barramento deve satisfazer simultaneamente:

Capacidade de corrente elétrica
Baixa indutância parasita
Alinhamento do terminal do capacitor
Alinhamento da abertura do sensor
Controle de campo-magnético
Rastejamento e liberação
Interface de habitação
Tolerância de montagem
Facilidade de manutenção

 

 

O capacitor do link-CC deve ser posicionado o mais próximo possível do estágio de alimentação de comutação.

 

O objetivo é minimizar o loop de comutação-de alta frequência:

 

DC-Capacitor de link → barramento positivo → módulo SiC → barramento negativo → DC-Capacitor de link

 

Aumentar a distância física entre esses elementos aumenta o comprimento do condutor e a área do circuito.

 

Por esse motivo, um barramento com resistência eletricamente baixa-, mas fisicamente longo, pode ter um desempenho pior durante a comutação rápida de SiC do que um projeto um pouco mais resistivo, mas firmemente laminado.

 

 

Os sensores atuais podem usar efeito Hall-, fluxgate, shunt ou outras tecnologias de detecção.

 

A geometria do barramento ao redor do sensor deve manter controlada:

 

Posição do condutor
Folga da abertura do sensor
Simetria de campo-magnético
Fixação mecânica
Espaçamento de isolamento
Isolamento térmico

 

Para um sistema de medição de corrente-baseado em derivação, a resistência e o coeficiente de temperatura da derivação fazem parte da arquitetura de medição.

 

Para sensores de corrente magnética, a posição do condutor em relação ao elemento sensor pode afetar o campo magnético visto pelo sensor.

 

O desenho do barramento deve, portanto, incluir referências explícitas de dados do sensor, em vez de depender da tolerância geral da montagem.

 

 

A qualidade da soldagem a laser depende fortemente da geometria da junta.

 

Para conjuntos de barramentos de cobre, a janela do processo deve controlar:

 

Lacuna conjunta

Limpeza de superfície

Espessura do cobre

Condição de chapeamento

Potência laser

Velocidade de soldagem

Diâmetro do feixe

Posição de foco

Gás de proteção

Pressão de aperto

 

Uma solda estável deve ser validada por meio de seções transversais metalográficas-e não apenas pela aparência visual.

 

Baixar especificação de design de barramento

 

 

Para programas automotivos, o desempenho elétrico por si só não estabelece a prontidão para produção.

 

Um pacote de validação de produção pode incluir:

DFMEA

PFMEA

Plano de Controle

Diagrama de Fluxo de Processo

MSA

CEP

Estudos de capacidade

Relatório de inspeção dimensional

Certificados de materiais

Validação de solda

Dados de resistência elétrica

Resultados de resistência dielétrica

Resultados de testes térmicos

Informações materiais-relacionadas ao IMDS, quando aplicável

Especificação de embalagem

Registros de rastreabilidade

 

 

Características críticas-para{1}}a qualidade devem ser identificadas antes da produção em massa.

 

As características típicas do CTQ incluem:

Posição do furo
Planicidade terminal
Espessura do cobre
Espessura do isolamento
Penetração de solda
Força de soldagem
Resistência articular
Espessura do chapeamento
Resistência dielétrica
Alinhamento do sensor

 

Para um processo de produção-em massa estável, os clientes podem especificar Cpk maior ou igual a 1,33 ou um valor superior para características críticas designadas.

O requisito real deve seguir o acordo de qualidade e o plano de controle do cliente, em vez de aplicar um limite de capacidade universal.

 

 

Quando interfaces folheadas a prata forem especificadas, a espessura do chapeamento deverá ser verificada usando um método de medição apropriado, como XRF.

Uma especificação nominal, como revestimento Ag de 3–5 µm, deve ser acompanhada por:

Especificação do material base

Especificação da placa inferior

Espessura local mínima

Locais de medição

Preparação de superfície

Requisito de adesão

Requisito de corrosão

Para barramentos de cobre, o revestimento é normalmente aplicado em áreas de contato elétrico definidas, em vez de ser aplicado automaticamente em todo o componente.

 

 

As fichas técnicas de materiais fornecem um ponto de partida. A validação da produção deve avaliar o barramento acabado.

O programa de teste pode incluir:

 

Teste	Objetivo Primário	Ponto de controle típico
Resistência dielétrica	Isolamento elétrico	Sem avaria
Resistência de isolamento	Controle de vazamento	Especificação do cliente
Resistência articular	Perda elétrica	medição de nível µΩ-
Aumento térmico	Geração de calor	Corrente/carga definida
Seção transversal-de solda	Qualidade de fusão	Critérios de penetração/defeito
Inspeção CMM	Conformidade dimensional	Tolerância de desenho
Espessura do chapeamento	Durabilidade do contato	Medição XRF
Ciclismo térmico	Durabilidade da expansão	Perfil de temperatura definido
Vibração	Durabilidade mecânica	Perfil do veículo/sistema

 

 

Uma linha de produção para conjuntos de barramentos EV deve manter a rastreabilidade desde a entrada do material até a inspeção final.

 

Uma cadeia de rastreabilidade típica é:

 

Bobina de Cobre → Lote de Estampagem → Conformação → Soldagem → Limpeza → Isolamento → Chapeamento → Montagem → Teste Elétrico → Inspeção Final

Os dados do processo podem então ser vinculados ao lote de produção, à máquina, às condições das ferramentas, ao operador e ao registro de inspeção.

 

 

A estratégia de ferramentas deve começar com a arquitetura de montagem final, em vez de simplesmente reproduzir um perfil 2D.

 

Antes da fabricação da matriz, a revisão de engenharia deve avaliar:

Layout de tira

Utilização de materiais

Direção do grão

Sequência de dobra

Primavera de volta

Carga perfurante

Formando carga

Seleção de aço ferramenta

Superfícies de desgaste

Direção da rebarba

Estratégia de dados

Dispositivo de soldagem

Dispositivo de inspeção

 

Para barramentos de cobre, a direção da rebarba pode ser elétrica e mecanicamente significativa quando a borda estampada estiver localizada próxima ao isolamento ou outro condutor.

 

 

A vida útil da ferramenta não pode ser garantida a partir de um número de curso genérico.

A vida real depende de:

Dureza do cobre

Espessura da tira

Folga de corte

Geometria do punção

Material da matriz

Revestimento

Velocidade de imprensa

Lubrificação

Geometria da peça

Intervalo de manutenção

Portanto, as ferramentas devem ser monitoradas por meio de limites de desgaste definidos e critérios de{0}manutenção preventiva, em vez de depender apenas da contagem acumulada de cursos.

 

 

Um processo confiável de desenvolvimento de barramento SiC deve usar simulação e medição física.

 

A sequência de engenharia pode ser estruturada como:

 

Arquitetura Elétrica → Layout de Barramento 3D → Simulação Eletromagnética → Simulação Térmica → DFM → Ferramentas → Protótipo → CMM → Validação de Solda → Teste Elétrico → Teste Térmico → PPAP

 

O ponto crítico é que o conjunto medido deve estar correlacionado com o modelo elétrico original.

 

Um loop simulado de 8 nH não será suficiente se o conjunto fabricado medir 18 nH devido à geometria do terminal, ao hardware de montagem ou às transições do conector que foram excluídas do modelo.

 

 

O modelo deve incluir:

 

Condutores de cobre

Transições terminais

Regiões soldadas

Pontos de conexão do capacitor

Interface do módulo semicondutor

Fixadores onde eletricamente relevante

Caminho de retorno

Estrutura do sensor onde afeta a distribuição atual

 

Para análise-de alta frequência, um modelo eletromagnético 3D completo é preferível a um cálculo simples de resistência CC

 

 

A medição de resistência deve usar um método Kelvin de quatro-fios onde a baixa resistência está sendo caracterizada.

As medições devem especificar:

 

Corrente de teste

Pontos de medição

Temperatura ambiente

Temperatura do barramento

Tempo de estabilização

Configuração de contato

 

Como a resistência do cobre muda com a temperatura, os dados de resistência sem uma temperatura de teste definida têm valor de engenharia limitado.

 

 

Um barramento de cobre personalizado para aplicações de veículos elétricos deve ser tratado como um conjunto eletromagnético, térmico e mecânico, em vez de um componente de cobre estampado.

 

Para inversores de tração SiC, as prioridades de engenharia são mensuráveis:

<10 nH target for the defined high-frequency commutation loop
97–100% de condutividade de cobre IACS dependendo do grau
Resistência de junta de nível µΩ-controlada
Capacidade térmica local acima de 200 graus quando exigido pelo sistema
Rigidez dielétrica definida e coordenação de isolamento
Controle de ±0,01–0,05 mm em recursos de precisão selecionados onde o projeto permitir
Verificação dimensional-baseada em CMM
Validação de solda metalográfica
Verificação de espessura-de revestimento XRF
Controles de produção IATF 16949
Documentação PPAP Nível 3 quando especificado pelo cliente

 

O barramento correto é aquele cujo modelo elétrico, modelo térmico, processo de fabricação e dados de inspeção convergem para os mesmos requisitos de projeto.

 

 

Quais documentos normalmente são incluídos em um pacote PPAP Nível 3 para um barramento de inversor EV SiC?

Um pacote PPAP Nível 3 normalmente inclui PSW, desenhos, registros de materiais, resultados dimensionais, PFMEA, Plano de Controle, fluxo de processo, MSA, estudos de capacidade e relatórios de validação aplicáveis.

 

Quanto tempo leva o ferramental T1 e a amostragem de protótipo para um barramento inversor de cobre personalizado?

Um ciclo típico de desenvolvimento T1 pode ser planejado em torno de 20 a 30 dias, dependendo da geometria, complexidade progressiva-da matriz, acessórios de soldagem, disponibilidade de material e aprovação de desenho do cliente.

 

Como a espessura do chapeamento de prata é verificada em umterminal de barramento de cobre?

A espessura do revestimento de prata é comumente verificada por medição XRF em locais de inspeção definidos. O desenho deve especificar a espessura mínima, a área de medição, os requisitos do substrato e da placa inferior.