Commutation d'onduleur SiC à 10-100 kHz : pourquoi les parasites des barres omnibus sont importants

Un jeu de barres d'onduleur SiC n'est pas simplement un conducteur à faible résistance-. Lors d'une commutation haute-fréquence, le jeu de barres fait partie de la boucle de commutation et son inductance parasite contribue directement au dépassement de tension selon V=L × di/dt. Pour les onduleurs de traction EV, un objectif de conception pratique consiste souvent à maintenir le chemin de commutation de courant élevé en dessous de 10 nH, tout en maintenant une ligne de fuite, un jeu, une augmentation de température et une tolérance mécanique contrôlés.

 

Pour un assemblage de jeu de barres d'onduleur SiC personnalisé, la conception électrique, thermique et mécanique doit donc être développée comme une seule structure : la sélection du cuivre C1100, la géométrie laminée, l'isolation diélectrique, le soudage au laser ou par résistance, l'intégration du condensateur de liaison CC-et le positionnement du capteur de courant-affectent tous les performances finales de la boucle de commutation-.
 

 

 

Les MOSFET SiC peuvent commuter beaucoup plus rapidement que les IGBT au silicium conventionnels. Le di/dt élevé qui en résulte expose une inductance parasite qui peut avoir eu un impact limité dans les étages de puissance à basse fréquence-.

 

La tension induite peut être exprimée comme suit :

 

Vₗ=Lₚ × di/dt

Où:

Vₗ=tension inductive parasite
Lₚ=inductance de boucle parasite
di/dt=taux de balayage actuel

 

Par exemple, si une boucle de commutation a 20 nH d'inductance parasite et que le courant change à 2 kA/µs, la contribution de tension inductive est d'environ 40 V.

 

La réduction de la zone de boucle physique et des champs magnétiques opposés à l'intérieur de la pile de jeux de barres peut donc réduire les dépassements de commutation sans augmenter la tension nominale des semi-conducteurs.

 

 

Le cuivre à pas de cuivre C1100/C11000-sans oxygène ou résistant à l'électrolyse-est largement utilisé pour la construction de barres omnibus à courant élevé-en raison de sa conductivité électrique élevée et de sa capacité de formage.

 

Matériel	Conductivité typique	Principal avantage	Application typique d'un jeu de barres
Cuivre C1100	~97-100 % SIGC	Faible résistance CC	Liaison CC-et chemin d'alimentation de l'onduleur
C1020 Oxygène-Cuivre libre	~100 % SIGC	Haute conductivité, faible teneur en oxygène	Électronique de puissance à courant élevé-
C2680 Laiton	~25 à 30 % du SIGC	Résistance et formabilité supérieures	Bornes, supports, matériel
Aluminium 6061	~40% SIGC	Faible densité, résistance structurelle	Conducteurs sensibles au poids-

 

Pour un onduleur SiC à courant élevé-, le cuivre C1100 est normalement sélectionné pour le chemin de courant principal, tandis que le laiton ou l'acier plaqué peuvent être utilisés pour le montage mécanique de composants où la conductivité électrique est secondaire.

 

L'épaisseur du cuivre n'est pas sélectionnée uniquement à partir de la valeur nominale actuelle. La conception doit tenir compte :

Courant efficace
courant d'impulsion
cycle de service
élévation de température admissible
température ambiante
interface de refroidissement
largeur et épaisseur du conducteur
effet de proximité
résistance articulaire
épaisseur du placage

 

 

Une barre omnibus laminée contient plusieurs couches conductrices séparées par un matériau diélectrique. Les variations dimensionnelles dans chaque couche de cuivre s'accumulent au niveau des trous de montage, des interfaces de bornes et des points de connexion des condensateurs.

 

Pour les composants de précision, le contrôle dimensionnel peut être établi via :

Estampage progressif
Usinage secondaire CNC
Dans-le rivetage
Monnayage
Pliage de précision
Découpe laser
Contrôle MMT

En fonction de la géométrie, une tolérance dimensionnelle de ±0,01 à 0,05 mm peut être atteinte sur les caractéristiques contrôlées, tandis que la tolérance globale des pièces formées-doit être définie en fonction de l'épaisseur du matériau, du rayon de courbure et de l'état de l'outillage.

 

Le dessin technique doit faire la distinction entre :

 

Dimensions de l'interface électrique
Cotes de positionnement mécanique
Dimensions non-fonctionnelles
Exigences de planéité
Tolérance de position du trou
Exigences en matière de données de soudage

 

 

 

La structure à faible-inductance la plus efficace est généralement obtenue en plaçant les chemins de courant sortant et de retour physiquement proches les uns des autres.

 

Une structure feuilletée peut positionner des conducteurs positifs et négatifs dans des couches adjacentes :

 

Cu (+) / Diélectrique / Cu (−)

 

Les directions de courant opposées génèrent des champs magnétiques partiellement annulés. Cela réduit la surface de boucle et réduit donc l'inductance parasite.

 

Pour une conception de jeu de barres haute fréquence-, les paramètres suivants nécessitent une simulation électrique et une vérification physique :

Espacement des conducteurs
Épaisseur du cuivre
Disposition des couches
Géométrie des bornes
Direction actuelle
Zone de chevauchement
Emplacement via ou boulon
Distance du condensateur de liaison CC-
Distance du module semi-conducteur
Emplacement du capteur
Dégagement du logement
 

 

L'augmentation de l'épaisseur du cuivre réduit la résistance CC, mais ne produit pas automatiquement l'inductance de boucle de commutation-la plus faible.

 

Une plaque de cuivre de 5 mm-d'épaisseur peut toujours présenter une inductance de boucle excessive si les conducteurs positifs et négatifs sont physiquement séparés.

 

Paramètre de conception	Faible-direction d'inductance	Raison électrique
Espacement positif/négatif	Minimiser	Réduit la zone de boucle
Chevauchement actuel des-chemins	Maximiser	Améliore l'annulation du champ magnétique-
Distance du condensateur de liaison CC-	Minimiser	Raccourcit la boucle de commutation
Transition terminale	Compact	Réduit la discontinuité inductive locale
Épaisseur du cuivre	Optimiser	Contrôle la résistance et la charge thermique
Coudes	Minimisez les transitions brusques	Réduit l’encombrement actuel
Emplacements des fixations	Interface proche du courant	Limite l’impédance articulaire

 

L'objectif de conception pratique doit être établi à partir de la vitesse de commutation de l'onduleur, de la tension nominale du semi-conducteur, du dépassement autorisé et de la forme d'onde de commutation mesurée plutôt qu'à partir d'un nombre d'inductance générique.

 

 

La couche diélectrique entre les conducteurs en cuivre doit résister à la fois à une tension continue continue et aux transitoires de commutation répétitives.

 

Les variables typiques de conception de l’isolation comprennent :

 

Film PET
Film PI
Revêtement en poudre époxy
Systèmes polyimides
Structures isolantes moulées

 

Le niveau de tenue diélectrique requis dépend de la tension du système, de la tension transitoire, de l'épaisseur de l'isolation, de la ligne de fuite, du jeu et des conditions environnementales.

 

A material specification such as dielectric breakdown strength >15 kV/mm ne doit pas être considéré comme la conception complète de l’isolation. L'assemblage fini doit également être validé pour la tenue diélectrique, les décharges partielles le cas échéant, le vieillissement thermique et l'intégrité mécanique.

 

 

Pour un onduleur EV fonctionnant à plusieurs centaines de volts CC, l’espacement des isolations ne peut pas être déterminé à partir de la seule épaisseur du revêtement.

La conception doit prendre en compte :

 

Tension de fonctionnement
Catégorie de surtension
Degré de pollution
Groupe de matériaux
Altitude
CTI
Distance d'isolement
Distance de dégagement
Commutation de l'amplitude transitoire

 

UL 94 V-0 peut définir les performances d'inflammabilité d'un matériau isolant, mais elle ne remplace pas la coordination de l'isolation électrique selon les exigences système applicables telles que la CEI 60664-1.

 

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Un jeu de barres inverseur SiC peut fonctionner à une température moyenne modérée tout en développant des points chauds localisés au-dessus de 200 degrés à proximité des bornes, des joints soudés ou des transitions de courant étroites.

 

Le problème thermique est souvent dû à une résistance localisée plutôt qu'à une section totale de cuivre- insuffisante.

Le chauffage Joule suit :

 

P = I²R

Une légère augmentation de la résistance des joints produit une augmentation de température disproportionnellement plus importante à courant élevé.

Par exemple, à 500 A, une résistance commune de seulement 100 µΩ produit :

 

P = 500² × 0.0001 = 25 W

Ces 25 W sont concentrés sur une interface relativement petite plutôt que répartis sur l’ensemble du jeu de barres en cuivre.

 

 

Pour les ensembles de jeux de barres à courant élevé-, la résistance des joints doit être contrôlée par la capacité du processus plutôt que par la seule inspection visuelle.

Les technologies d'assemblage applicables comprennent :

 

Soudage laser

Soudage par résistance

Soudage TIG

Brasage

Soudage par diffusion moléculaire

Joints électriques boulonnés

Interfaces conductrices rivetées

 

Méthode de jointure	Force typique	Zone affectée par la chaleur-	Contrôle dimensionnel	Application appropriée
Soudage laser	Haut	Faible	Haut	Bornes de jeu de barres Cu
Soudage par résistance	Haut	Localisé	Haut	Languettes et conducteurs fins
Brasage au four	Haut	Large exposition thermique	Moyen	Assemblages complexes en cuivre
Soudage par diffusion moléculaire	Très haute qualité d'interface	Très faible	Haut	Structures stratifiées de précision
Joint boulonné	Mécanique réparable	Aucun	Moyen	Connexions amovibles

 

Pour le soudage laser cuivre-à-cuivre, l'absorption du faisceau est nettement inférieure à celle de nombreux aciers. L'état de surface, la longueur d'onde, la densité de puissance, le gaz de protection, l'espacement des joints et l'extraction de chaleur nécessitent donc le développement de processus.

 

 

Un programme de validation de la production doit combiner des mesures dimensionnelles et thermiques.

Une séquence de validation typique comprend :

 

Contrôle CMM de la position des bornes et de la planéité.

Mesure de la résistance à quatre fils-des joints électriques.

Mesure par thermocouple ou RTD à des endroits définis.

Imagerie thermique infrarouge sous courant représentatif.

Cyclisme thermique.

Essais de tenue diélectrique.

Inspection de la section-de soudure.

Essais de traction ou de cisaillement destructifs, le cas échéant.

 

L'imagerie thermique ne doit pas être utilisée comme seule méthode d'acceptation, car l'émissivité varie considérablement entre le cuivre nu, le cuivre plaqué, le revêtement et les surfaces oxydées.

 

 

Le cuivre a un coefficient de dilatation thermique d'environ 16,5 à 17 ppm/degré. L'isolation polymère et les composants métalliques adjacents ont généralement des coefficients différents.

 

Des cyclages répétés de température créent donc des contraintes mécaniques au niveau :

interfaces soudées
interfaces rivetées
limites du revêtement
boulons de borne
interfaces de condensateur
points de montage du capteur

 

La pile de jeux de barres doit être conçue de manière à ce que la dilatation thermique ne transfère pas de contraintes excessives aux bornes du condensateur DC-Link ou au module semi-conducteur de l'onduleur.

 

 

 

L'intégration du jeu de barres avec le condensateur DC-Link et le capteur de courant peut raccourcir la boucle d'alimentation et réduire le nombre d'assemblages.

Cependant, l'intégration mécanique introduit des contraintes supplémentaires.

 

Le jeu de barres doit simultanément satisfaire :

Capacité de courant électrique
Faible inductance parasite
Alignement des bornes du condensateur
Alignement de l'ouverture du capteur
Contrôle du champ magnétique-
Ligne de fuite et jeu
Interface du logement
Tolérance d'assemblage
Facilité d'entretien

 

 

Le condensateur DC-Link doit être positionné aussi près que possible de l'étage de puissance de commutation.

 

L'objectif est de minimiser la boucle de commutation-haute fréquence :

 

DC-Condensateur de liaison → jeu de barres positif → module SiC → jeu de barres négatif → DC-Condensateur de liaison

 

L'augmentation de la distance physique entre ces éléments augmente la longueur du conducteur et la surface de la boucle.

 

Pour cette raison, une barre omnibus à faible résistance électrique-mais physiquement longue peut fonctionner moins bien lors d'une commutation SiC rapide qu'une conception légèrement plus résistive mais étroitement laminée.

 

 

Les capteurs de courant peuvent utiliser l'effet Hall-, le fluxgate, le shunt ou d'autres technologies de détection.

 

La géométrie du jeu de barres autour du capteur doit maintenir contrôlée :

 

Poste de chef d'orchestre
Dégagement de l'ouverture du capteur
Symétrie du champ magnétique-
Fixation mécanique
Espacement d'isolation
Isolation thermique

 

Pour un système de mesure de courant basé sur un shunt-, la résistance et le coefficient de température du shunt font partie de l'architecture de mesure.

 

Pour les capteurs de courant magnétique, la position du conducteur par rapport à l'élément de détection peut affecter le champ magnétique vu par le capteur.

 

Le dessin du jeu de barres doit donc inclure des références explicites aux données des capteurs plutôt que de s'appuyer sur la tolérance générale de l'assemblage.

 

 

La qualité du soudage laser dépend fortement de la géométrie des joints.

 

Pour les assemblages de jeux de barres en cuivre, la fenêtre de processus doit contrôler :

 

Écart commun

Propreté des surfaces

Épaisseur du cuivre

État du placage

Puissance laser

Vitesse de soudage

Diamètre du faisceau

Position de mise au point

Gaz de protection

Pression de serrage

 

Une soudure stable doit être validée par des coupes métallographiques- plutôt que par la seule apparence visuelle.

 

Télécharger la spécification de conception de jeu de barres

 

 

Pour les programmes automobiles, les performances électriques ne suffisent pas à établir la préparation à la production.

 

Un package de validation de production peut inclure :

DFMEA

PFMEA

Plan de contrôle

Diagramme de flux de processus

MSA

CPS

Etudes de capabilité

Rapport d'inspection dimensionnelle

Certificats de matériaux

Validation des soudures

Données de résistance électrique

Résultats de tenue diélectrique

Résultats des tests thermiques

Informations importantes relatives à IMDS-, le cas échéant

Spécification d'emballage

Dossiers de traçabilité

 

 

Les caractéristiques critiques-pour-la qualité doivent être identifiées avant la production en série.

 

Les caractéristiques typiques du CTQ comprennent :

Position du trou
Planéité des bornes
Épaisseur du cuivre
Épaisseur de l'isolation
Pénétration de soudure
Force de soudure
Résistance des articulations
Épaisseur du placage
Tenue diélectrique
Alignement du capteur

 

Pour un processus de production de masse stable-, les clients peuvent spécifier un Cpk supérieur ou égal à 1,33 ou une valeur supérieure pour les caractéristiques critiques désignées.

L'exigence réelle doit suivre l'accord qualité et le plan de contrôle du client plutôt que d'appliquer un seuil de capacité universel.

 

 

Lorsque des interfaces-plaquées argentées sont spécifiées, l'épaisseur du placage doit être vérifiée à l'aide d'une méthode de mesure appropriée telle que XRF.

Une spécification nominale telle qu'un placage Ag de 3 à 5 µm doit être accompagnée de :

Spécification du matériau de base

Spécification de la sous-plaque

Épaisseur locale minimale

Lieux de mesure

Préparation des surfaces

Exigence d'adhésion

Exigence de corrosion

Pour les barres omnibus en cuivre, le placage est normalement appliqué sur des zones de contact électrique définies plutôt que automatiquement sur l'ensemble du composant.

 

 

Les fiches techniques des matériaux constituent un point de départ. La validation de la production doit évaluer le jeu de barres fini.

Le programme de test peut inclure :

 

Test	Objectif principal	Point de contrôle typique
Tenue diélectrique	Isolation électrique	Pas de panne
Résistance d'isolation	Contrôle des fuites	Spécification client
Résistance des articulations	Perte électrique	µΩ-mesure de niveau
Élévation thermique	Génération de chaleur	Courant/charge défini
Coupe transversale de soudure-	Qualité de fusion	Critères de pénétration/défaut
Contrôle MMT	Conformité dimensionnelle	Tolérance de dessin
Épaisseur du placage	Durabilité des contacts	Mesure XRF
Cyclisme thermique	Durabilité de l'expansion	Profil de température défini
Vibration	Durabilité mécanique	Profil véhicule/système

 

 

Une ligne de production d’ensembles de jeux de barres pour véhicules électriques doit maintenir la traçabilité depuis les matériaux entrants jusqu’à l’inspection finale.

 

Une chaîne de traçabilité typique est :

 

Bobine de cuivre → Lot d'emboutissage → Formage → Soudage → Nettoyage → Isolation → Placage → Assemblage → Test électrique → Inspection finale

Les données de processus peuvent ensuite être liées au lot de production, à la machine, à l'état de l'outillage, à l'opérateur et au dossier d'inspection.

 

 

La stratégie d'outillage doit commencer par l'architecture d'assemblage final plutôt que par la simple reproduction d'un profil 2D.

 

Avant la fabrication de la matrice, l'examen technique doit évaluer :

Disposition des bandes

Utilisation du matériel

Sens des grains

Séquence de pliage

Retour élastique

Charge perçante

Charge de formage

Sélection d'acier à outils

Surfaces d'usure

Direction des bavures

Stratégie de référence

Appareil de soudage

Dispositif d'inspection

 

Pour les barres omnibus en cuivre, la direction des bavures peut être électriquement et mécaniquement significative lorsque le bord estampé est situé à proximité d'une isolation ou d'un autre conducteur.

 

 

La durée de vie de l'outil ne peut pas être garantie à partir d'un numéro de course générique.

La vie réelle dépend de :

Dureté du cuivre

Épaisseur de la bande

Jeu de coupe

Géométrie du poinçon

Matériau de la matrice

Revêtement

Vitesse de presse

Lubrification

Géométrie de la pièce

Intervalle d'entretien

L'outillage doit donc être surveillé via des limites d'usure définies et des critères de maintenance préventive-plutôt que de se fier uniquement au nombre de courses accumulées.

 

 

Un processus de développement de jeux de barres SiC fiable doit utiliser à la fois la simulation et la mesure physique.

 

La séquence d'ingénierie peut être structurée comme suit :

 

Architecture électrique → Disposition des jeux de barres 3D → Simulation électromagnétique → Simulation thermique → DFM → Outillage → Prototype → CMM → Validation de soudure → Test électrique → Test thermique → PPAP

 

Le point critique est que l’ensemble mesuré doit être en corrélation avec le modèle électrique d’origine.

 

Une boucle simulée de 8 nH n'est pas suffisante si l'assemblage fabriqué mesure 18 nH en raison de la géométrie des bornes, du matériel de montage ou des transitions des connecteurs qui ont été exclus du modèle.

 

 

Le modèle doit inclure :

 

Conducteurs en cuivre

Transitions terminales

Régions soudées

Points de connexion des condensateurs

Interface du module semi-conducteur

Fixations là où elles sont électriquement pertinentes

Chemin de retour

Structure du capteur où elle affecte la distribution du courant

 

Pour l'analyse des-hautes fréquences, un modèle électromagnétique 3D complet est préférable à un simple calcul de résistance CC.

 

 

La mesure de la résistance doit utiliser une méthode Kelvin à quatre fils- où une faible résistance est caractérisée.

Les mesures doivent préciser :

 

Courant d'essai

Points de mesure

Température ambiante

Température du jeu de barres

Temps de stabilisation

Configuration des contacts

 

Étant donné que la résistance du cuivre change avec la température, les données de résistance sans température de test définie ont une valeur technique limitée.

 

 

Une barre omnibus en cuivre personnalisée pour les applications de transmission EV doit être traitée comme un assemblage électromagnétique, thermique et mécanique plutôt que comme un composant en cuivre estampé.

 

Pour les onduleurs de traction SiC, les priorités d'ingénierie sont mesurables :

<10 nH target for the defined high-frequency commutation loop
Conductivité du cuivre IACS de 97 à 100 % selon la qualité
Résistance articulaire de niveau µΩ-contrôlée
Capacité thermique locale supérieure à 200 degrés lorsque le système l'exige
Rigidité diélectrique et coordination d'isolation définies
Contrôle de ±0,01 à 0,05 mm sur certaines caractéristiques de précision lorsque la conception le permet
Vérification dimensionnelle basée sur CMM-
Validation métallographique des soudures
Placage XRF-vérification de l'épaisseur
Contrôles de production IATF 16949
Documentation PPAP niveau 3 lorsque spécifiée par le client

 

Le jeu de barres correct est celui dont le modèle électrique, le modèle thermique, le processus de fabrication et les données d'inspection convergent vers les mêmes exigences de conception.

 

 

Quels documents sont normalement inclus dans un package PPAP niveau 3 pour un jeu de barres d'onduleur EV SiC ?

Un package PPAP niveau 3 comprend généralement le PSW, les dessins, les enregistrements de matériaux, les résultats dimensionnels, la PFMEA, le plan de contrôle, le flux de processus, le MSA, les études de capacité et les rapports de validation applicables.

 

Combien de temps prennent l'outillage T1 et l'échantillonnage de prototypes pour une barre omnibus d'onduleur en cuivre personnalisée ?

Un cycle de développement T1 typique peut être planifié autour de 20 à 30 jours, en fonction de la géométrie, de la complexité progressive de la matrice, des montages de soudage, de la disponibilité des matériaux et de l'approbation des dessins du client.

 

Comment l'épaisseur du placage d'argent est-elle vérifiée sur unborne de jeu de barres en cuivre?

L'épaisseur du placage d'argent est généralement vérifiée par mesure XRF à des emplacements d'inspection définis. Le dessin doit spécifier les exigences minimales en matière d'épaisseur, de zone de mesure, de substrat et de sous-plaque.