10~100kHz에서 SiC 인버터 스위칭: 부스바 기생이 중요한 이유

SiC 인버터 버스바는 단순한 저저항 도체가-아닙니다. 고주파수 스위칭 동안 버스바는 정류 루프의 일부를 형성하고 버스바의 기생 인덕턴스는 V=L × di/dt에 따른 전압 오버슈트에 직접적으로 기여합니다. EV 트랙션 인버터의 경우 실제 설계 목표는 고전류 정류 경로를 10nH 미만으로 유지하면서 연면거리, 공간거리, 온도 상승 및 기계적 허용 오차를 제어하는 ​​것입니다.

 

따라서 맞춤형 SiC 인버터 버스바 어셈블리의 경우 전기, 열 및 기계 설계를 하나의 구조로 개발해야 합니다. C1100 구리 선택, 적층 형상, 유전체 절연, 레이저 또는 저항 용접, DC-링크 커패시터 통합 및 전류{2}}센서 배치 모두 최종 스위칭 루프 성능에 영향을 미칩니다.
 

 

 

SiC MOSFET은 기존 실리콘 IGBT보다 훨씬 빠르게 전환할 수 있습니다. 결과적으로 높은 di/dt는 더 낮은-주파수 전력단에서 제한적인 영향을 미칠 수 있는 기생 인덕턴스를 노출시킵니다.

 

유도전압은 다음과 같이 표현될 수 있다.

 

Vₗ=Lₚ × di/dt

어디:

Vₗ=기생 유도 전압
Lₚ=기생 루프 인덕턴스
di/dt=현재 슬루율

 

예를 들어 정류 루프의 기생 인덕턴스가 20nH이고 전류 변화가 2kA/μs인 경우 유도 전압 기여도는 약 40V입니다.

 

따라서 버스바 스택 내부의 물리적 루프 영역과 반대 자기장을 줄이면 반도체 전압 정격을 높이지 않고도 스위칭 오버슈트를 줄일 수 있습니다.

 

 

C1100/C11000 무산소-또는 전해 강인성-피치 구리는 높은 전기 전도성과 형성 능력으로 인해 고전류 버스바 구성에 널리 사용됩니다.-

 

재료	일반적인 전도도	주요 이점	일반적인 버스바 애플리케이션
C1100 구리	~97-100% IACS	낮은 DC 저항	DC-링크 및 인버터 전원 경로
C1020 산소-무료 구리	~100% IACS	높은 전도성, 낮은 산소 함량	고전류 전력 전자 장치
C2680 황동	~25~30% IACS	더 높은 강도, 성형성	터미널, 브래킷, 하드웨어
알루미늄 6061	~40% IACS	저밀도, 구조적 강도	무게-에 민감한 도체

 

고전류 SiC 인버터의 경우 일반적으로 C1100 구리가 1차 전류 경로로 선택되는 반면, 전기 전도도가 2차인 기계적 장착 부품에는 황동 또는 도금 강철이 사용될 수 있습니다.

 

구리 두께는 전류 정격만으로는 선택되지 않습니다. 설계에서는 다음 사항을 고려해야 합니다.

RMS 전류
펄스 전류
듀티 사이클
허용 온도 상승
주변 온도
냉각 인터페이스
도체 폭과 두께
근접 효과
관절 저항
도금 두께

 

 

적층 버스바에는 유전체 재료로 분리된 여러 전도성 층이 포함되어 있습니다. 각 구리층의 치수 변화는 장착 구멍, 단자 인터페이스 및 커패시터 연결 지점에 누적됩니다.

 

정밀 부품의 경우 다음을 통해 치수 제어를 설정할 수 있습니다.

프로그레시브 다이 스탬핑
CNC 2차 가공
-다이 리벳팅
코이닝
정밀 벤딩
레이저 트리밍
CMM 검사

형상에 따라 제어된 형상에서 ±0.01~0.05mm의 치수 공차를 달성할 수 있지만, 전체 성형-부품 공차는 재료 두께, 굽힘 반경 및 툴링 조건에 따라 정의되어야 합니다.

 

엔지니어링 도면에서는 다음을 구별해야 합니다.

 

전기 인터페이스 치수
기계적 위치 지정 치수
비-기능적 차원
평탄도 요구 사항
구멍 위치 공차
용접 기준 요구 사항

 

 

 

가장 효과적인 낮은-인덕턴스 구조는 일반적으로 나가는 전류 경로와 돌아오는 전류 경로를 물리적으로 서로 가깝게 배치하여 얻습니다.

 

적층 구조는 인접한 레이어에 양극 및 음극 도체를 배치할 수 있습니다.

 

Cu(+)/유전체/Cu(−)

 

반대 전류 방향은 부분적으로 상쇄되는 자기장을 생성합니다. 이는 루프 영역을 줄여서 기생 인덕턴스를 줄입니다.

 

고주파{0}}버스바 설계의 경우 다음 매개변수에는 전기 시뮬레이션과 물리적 검증이 필요합니다.

도체 간격
구리 두께
레이어 배열
터미널 형상
현재 방향
겹치는 영역
비아 또는 볼트 위치
DC-링크 커패시터 거리
반도체 모듈 거리
센서 위치
주택 정리
 

 

구리 두께를 늘리면 DC 저항이 감소하지만 가장 낮은 스위칭-루프 인덕턴스가 자동으로 생성되지는 않습니다.

 

5mm-두께의 구리판은 양극 도체와 음극 도체가 물리적으로 분리된 경우 여전히 과도한 루프 인덕턴스를 나타낼 수 있습니다.

 

디자인 매개변수	낮은-인덕턴스 방향	전기적 이유
양수/음수 간격	최소화	루프 면적 감소
현재-경로 중복	최대화	자기장 상쇄 개선-
DC-링크 커패시터 거리	최소화	정류 루프 단축
터미널 전환	콤팩트	국소 유도 불연속성을 줄입니다.
구리 두께	최적화	저항 및 열 부하를 제어합니다.
굴곡	갑작스러운 전환을 최소화하세요	현재 혼잡을 줄입니다
패스너 위치	현재 인터페이스 근처	관절 임피던스 제한

 

일반적인 인덕턴스 수치보다는 인버터 스위칭 속도, 반도체 정격 전압, 허용 오버슈트, 측정된 정류 파형을 바탕으로 실제 설계 목표를 설정해야 합니다.

 

 

구리 도체 사이의 유전층은 지속적인 DC 전압과 반복적인 스위칭 과도 현상을 모두 견뎌야 합니다.

 

일반적인 단열재 설계 변수는 다음과 같습니다.

 

PET 필름
PI 필름
에폭시 분체 도장
폴리이미드 시스템
성형 단열 구조

 

필요한 절연 내력 수준은 시스템 전압, 과도 전압, 절연체 두께, 연면거리, 공간거리 및 환경 조건에 따라 달라집니다.

 

A material specification such as dielectric breakdown strength >15kV/mm를 완전한 절연 설계로 취급해서는 안 됩니다. 완성된 어셈블리는 유전체 내성, 부분 방전(해당되는 경우), 열 노화 및 기계적 무결성에 대해서도 검증되어야 합니다.

 

 

수백V DC에서 작동하는 EV 인버터의 경우 코팅 두께만으로는 절연 간격을 결정할 수 없습니다.

설계에서는 다음 사항을 고려해야 합니다.

 

작동 전압
과전압 카테고리
오염도
소재그룹
고도
CTI
연면 거리
클리어런스 거리
과도 진폭 전환

 

UL 94 V-0은 절연 재료의 가연성 성능을 정의할 수 있지만 IEC 60664-1과 같은 해당 시스템 요구 사항에 따른 전기 절연 조정을 대체하지는 않습니다.

 

무료 DFM 평가 및 견적 요청

 

 

SiC 인버터 버스바는 터미널, 용접 조인트 또는 좁은 전류 전이 근처에서 200도 이상의 국지적 핫스팟을 개발하면서 적당한 평균 온도에서 작동할 수 있습니다.

 

열 문제는 전체 구리 단면적이 불충분하기보다는 국부적인 저항으로 인해 발생하는 경우가 많습니다.-

줄 가열은 다음과 같습니다.

 

P = I²R

접합 저항이 약간 증가하면 고전류에서 온도 상승이 불균형적으로 커집니다.

예를 들어, 500A에서 100μΩ의 결합 저항은 다음을 생성합니다.

 

P = 500² × 0.0001 = 25 W

25W는 전체 구리 버스바에 분산되지 않고 상대적으로 작은 인터페이스에 집중됩니다.

 

 

고전류 버스바 어셈블리의 경우{0}}접속 저항은 육안 검사보다는 공정 능력을 통해 제어해야 합니다.

적용 가능한 접합 기술은 다음과 같습니다.

 

레이저 용접

저항용접

TIG 용접

브레이징

분자 확산 용접

볼트로 연결된 전기 조인트

리벳 전도성 인터페이스

 

가입방법	일반적인 강도	열-영향을 받는 지역	치수 제어	적합한 용도
레이저 용접	높은	낮은	높은	Cu 버스바 터미널
저항용접	높은	현지화됨	높은	탭 및 얇은 도체
용광로 브레이징	높은	광범위한 열 노출	중간	복잡한 구리 어셈블리
분자 확산 용접	매우 높은 인터페이스 품질	매우 낮음	높은	정밀 적층 구조
볼트 조인트	기계적 서비스 가능	없음	중간	이동식 연결

 

구리-대-구리 레이저 용접의 경우 빔 흡수는 대부분의 강철에 비해 현저히 낮습니다. 따라서 표면 상태, 파장, 전력 밀도, 차폐 가스, 접합 간격 및 열 추출은 공정 개발이 ​​필요합니다.

 

 

생산 검증 프로그램은 치수 측정과 열 측정을 결합해야 합니다.

일반적인 검증 순서에는 다음이 포함됩니다.

 

단자 위치 및 평탄도에 대한 CMM 검사.

전기 조인트의 4개{0}}와이어 저항 측정.

정의된 위치에서 열전대 또는 RTD 측정.

대표적인 전류에서의 적외선 열화상.

열 순환.

유전체 내력 테스트.

용접 단면 검사-.

해당되는 경우 파괴적인 당김 또는 전단 테스트.

 

방사율은 순동, 도금된 구리, 코팅 및 산화된 표면 간에 크게 다르기 때문에 열화상을 유일한 승인 방법으로 사용해서는 안 됩니다.

 

 

구리의 열팽창 계수는 약 16.5~17ppm/도입니다. 폴리머 절연체와 인접한 금속 부품은 일반적으로 계수가 다릅니다.

 

따라서 온도 순환이 반복되면 다음 위치에 기계적 응력이 발생합니다.

용접 인터페이스
리벳 인터페이스
코팅 경계
터미널 볼트
커패시터 인터페이스
센서 장착 지점

 

버스바 스택은 열팽창으로 인해 DC-링크 커패시터 단자나 인버터 반도체 모듈에 과도한 응력이 전달되지 않도록 설계해야 합니다.

 

 

 

버스바를 DC-링크 커패시터 및 전류 센서와 통합하면 전력 루프를 단축하고 조립 횟수를 줄일 수 있습니다.

그러나 기계적 통합에는 추가적인 제약이 따릅니다.

 

버스바는 다음을 동시에 충족해야 합니다.

전류 용량
낮은 기생 인덕턴스
커패시터 단자 정렬
센서 조리개 정렬
자기장-제어
연면거리 및 공간거리
하우징 인터페이스
조립 공차
서비스 가능성

 

 

DC-링크 커패시터는 스위칭 전력단에 최대한 가깝게 배치해야 합니다.

 

목표는 고주파-정류 루프를 최소화하는 것입니다.

 

DC-링크 커패시터 → 양극 버스바 → SiC 모듈 → 음극 버스바 → DC-링크 커패시터

 

이러한 요소 사이의 물리적 거리를 늘리면 도체 길이와 루프 영역이 늘어납니다.

 

이러한 이유로 전기적으로 저항은 낮지만-물리적으로 긴 버스바는 빠른 SiC 스위칭 중에 저항이 약간 더 높지만 단단히 적층된 설계보다 성능이 저하될 수 있습니다.

 

 

전류 센서는 홀-효과, 플럭스게이트, 션트 또는 기타 감지 기술을 사용할 수 있습니다.

 

센서 주변의 버스바 형상은 다음과 같이 제어된 상태로 유지되어야 합니다.

 

지휘자 위치
센서 조리개 간격
자기장-대칭
기계적 고정
절연 간격
단열

 

션트- 기반 전류 측정 시스템의 경우 션트의 저항과 온도 계수는 측정 아키텍처의 일부입니다.

 

자기 전류 센서의 경우 감지 요소에 대한 도체 위치가 센서에 표시되는 자기장에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

따라서 부스바 도면에는 일반 조립 공차에 의존하기보다는 명시적인 센서 기준 참조가 포함되어야 합니다.

 

 

레이저 용접 품질은 접합 형상에 따라 크게 달라집니다.

 

구리 버스바 어셈블리의 경우 프로세스 창은 다음을 제어해야 합니다.

 

조인트 갭

표면 청결도

구리 두께

도금상태

레이저 파워

용접 속도

빔 직경

초점 위치

차폐가스

클램핑 압력

 

안정된 용접은 시각적인 외관보다는 금속 조직학적 단면을 통해 검증되어야 합니다.{0}}

 

부스바 설계 사양 다운로드

 

 

자동차 프로그램의 경우 전기적 성능만으로는 생산 준비가 완료되지 않습니다.

 

생산 검증 패키지에는 다음이 포함될 수 있습니다.

DFMEA

PFMEA

제어 계획

프로세스 흐름도

MSA

SPC

역량 연구

치수검사 보고서

자재 인증서

용접 검증

전기 저항 데이터

유전체 내성 결과

열 테스트 결과

해당되는 경우 IMDS-관련 자료 정보

포장 사양

추적성 기록

 

 

대량 생산에 앞서 품질에 중요한-특성을 파악해야 합니다.

 

일반적인 CTQ 특성은 다음과 같습니다.

구멍 위치
단자 평탄도
구리 두께
단열재 두께
용접 침투
용접 강도
관절저항
도금두께
유전체 내성
센서 정렬

 

안정적인 대량 생산-프로세스를 위해 고객은 지정된 중요 특성에 대해 Cpk를 1.33보다 크거나 같거나 더 높은 값으로 지정할 수 있습니다.

실제 요구 사항은 하나의 보편적인 기능 임계값을 적용하기보다는 고객의 품질 계약 및 제어 계획을 따라야 합니다.

 

 

은-도금 인터페이스가 지정된 경우 XRF와 같은 적절한 측정 방법을 사용하여 도금 두께를 확인해야 합니다.

3~5μm Ag 도금과 같은 공칭 사양에는 다음이 수반되어야 합니다.

모재 사양

언더플레이트 사양

최소 국부 두께

측정 위치

표면 준비

접착 요구 사항

부식 요구 사항

구리 버스바의 경우 도금은 전체 구성 요소 전체에 자동으로 적용되는 것이 아니라 일반적으로 정의된 전기 접촉 영역에 적용됩니다.

 

 

재료 데이터시트는 출발점을 제공합니다. 생산 검증은 완성된 버스바를 평가해야 합니다.

테스트 프로그램에는 다음이 포함될 수 있습니다.

 

시험	주요 목적	일반적인 제어 지점
유전체 내성	전기 절연	고장 없음
절연저항	누출 통제	고객 사양
관절저항	전기적 손실	µΩ-레벨 측정
열 상승	발열	정의된 전류/부하
용접 단면-	퓨전 품질	침투/결함 기준
CMM 검사	치수 적합성	드로잉 공차
도금두께	접점 내구성	XRF 측정
열 순환	확장 내구성	정의된 온도 프로필
진동	기계적 내구성	차량/시스템 프로필

 

 

EV 버스바 어셈블리 생산 라인은 최종 검사까지 입고되는 자재의 추적성을 유지해야 합니다.

 

일반적인 추적성 체인은 다음과 같습니다.

 

구리 코일 → 스탬핑 로트 → 성형 → 용접 → 청소 → 절연 → 도금 → 조립 → 전기 테스트 → 최종 검사

그런 다음 프로세스 데이터를 생산 로트, 기계, 툴링 조건, 작업자 및 검사 기록에 연결할 수 있습니다.

 

 

툴링 전략은 단순히 2D 프로파일을 재현하는 것이 아니라 최종 조립 아키텍처부터 시작해야 합니다.

 

다이 제작 전에 엔지니어링 검토에서는 다음 사항을 평가해야 합니다.

스트립 레이아웃

자재 활용

결 방향

굽힘 순서

스프링백

피어싱 하중

성형하중

공구강 선택

표면 마모

버 방향

데이텀 전략

용접 설비

검사 장치

 

구리 부스바의 경우 버 방향은 스탬핑된 가장자리가 절연체나 다른 도체 근처에 위치할 때 전기적, 기계적으로 중요할 수 있습니다.

 

 

일반적인 스트로크 수로는 공구 수명을 보장할 수 없습니다.

실제 생활은 다음에 따라 달라집니다.

구리 경도

스트립 두께

절단 공간

펀치 기하학

다이 재료

코팅

프레스 속도

매끄럽게 하기

부품 형상

유지보수 간격

따라서 누적된 스트로크 수에만 의존하기보다는 정의된 마모 한계 및 예방적{0}}유지보수 기준을 통해 툴링을 모니터링해야 합니다.

 

 

안정적인 SiC 버스바 개발 프로세스에서는 시뮬레이션과 물리적 측정을 모두 사용해야 합니다.

 

엔지니어링 시퀀스는 다음과 같이 구성될 수 있습니다.

 

전기 아키텍처 → 3D 버스바 레이아웃 → 전자기 시뮬레이션 → 열 시뮬레이션 → DFM → 툴링 → 프로토타입 → CMM → 용접 검증 → 전기 테스트 → 열 테스트 → PPAP

 

중요한 점은 측정된 어셈블리가 원래 전기 모델과 상호 연관되어야 한다는 것입니다.

 

모델에서 제외된 단자 형상, 장착 하드웨어 또는 커넥터 전환으로 인해 제조된 어셈블리가 18nH를 측정하는 경우 시뮬레이션된 8nH 루프는 충분하지 않습니다.

 

 

모델에는 다음이 포함되어야 합니다.

 

구리 도체

터미널 전환

용접 부위

커패시터 연결 지점

반도체 모듈 인터페이스

전기적으로 관련된 패스너

반환 경로

전류 분포에 영향을 미치는 센서 구조

 

고주파수 분석의 경우-간단한 DC 저항 계산보다 완전한 3D 전자기 모델이 더 좋습니다.

 

 

저항 측정은 낮은 저항을 특성화하는 Kelvin 4{0}}와이어 방법을 사용해야 합니다.

측정 시 다음을 지정해야 합니다.

 

테스트 전류

측정 포인트

주변 온도

부스바 온도

안정화 시간

연락처 구성

 

구리 저항은 온도에 따라 변하기 때문에 정의된 테스트 온도가 없는 저항 데이터는 엔지니어링 값이 제한되어 있습니다.

 

 

EV 드라이브 애플리케이션용 맞춤형 구리 버스바는 스탬프 처리된 구리 구성 요소가 아닌 전자기, 열 및 기계 조립품으로 취급되어야 합니다.

 

SiC 트랙션 인버터의 경우 엔지니어링 우선순위를 측정할 수 있습니다.

<10 nH target for the defined high-frequency commutation loop
등급에 따라 97~100% IACS 구리 전도성
제어된 µΩ-레벨 접합 저항
시스템에서 요구하는 경우 200도 이상의 국지적 열 성능
정의된 유전 강도 및 절연 조정
설계가 허용하는 경우 선택된 정밀 기능에 대해 ±0.01–0.05mm 제어
CMM-기반 치수 확인
금속 조직 용접 검증
XRF 도금-두께 검증
IATF 16949 생산 관리
고객이 지정한 PPAP 레벨 3 문서

 

올바른 부스바는 전기 모델, 열 모델, 제조 프로세스 및 검사 데이터가 동일한 설계 요구 사항에 수렴되는 버스바입니다.

 

 

EV SiC 인버터 버스바용 PPAP 레벨 3 패키지에는 일반적으로 어떤 문서가 포함됩니까?

PPAP 레벨 3 패키지에는 일반적으로 PSW, 도면, 재료 기록, 치수 결과, PFMEA, 제어 계획, 프로세스 흐름, MSA, 기능 연구 및 적용 가능한 검증 보고서가 포함됩니다.

 

맞춤형 구리 인버터 버스바의 경우 T1 툴링 및 프로토타입 샘플링에 시간이 얼마나 걸리나요?

일반적인 T1 개발 주기는 형상, 점진적인-다이 복잡성, 용접 설비, 재료 가용성 및 고객 도면 승인에 따라 약 20~30일로 계획될 수 있습니다.

 

은도금 두께는 어떻게 확인하나요?구리 버스바 터미널?

은 도금 두께는 일반적으로 정의된 검사 위치에서 XRF 측정을 통해 확인됩니다. 도면에는 최소 두께, 측정 영역, 기판 및 밑판 요구 사항이 명시되어야 합니다.