10 ～ 100 kHz での SiC インバーター スイッチング: バスバーの寄生成分が重要な理由

SiC インバータ バスバーは、単なる低抵抗導体ではありません。-高周波スイッチング中、バスバーは整流ループの一部を形成し、その寄生インダクタンスは、V=L × di/dt に従って電圧オーバーシュートに直接寄与します。 EV トラクション インバータの場合、多くの場合、実際の設計目標は、制御された沿面距離、クリアランス、温度上昇、機械的公差を維持しながら、大電流の整流経路を 10 nH 未満に保つことです。-

 

したがって、カスタム SiC インバータ バスバー アセンブリの場合、電気、熱、機械の設計を 1 つの構造として開発する必要があります。C1100 銅の選択、積層形状、誘電絶縁、レーザーまたは抵抗溶接、DC-リンク コンデンサの統合、および電流-の位置はすべて、最終的なスイッチング- ループのパフォーマンスに影響します。
 

 

 

SiC MOSFET は、従来のシリコン IGBT よりも大幅に高速にスイッチングできます。結果として生じる高い di/dt により、低周波数の電力段では限定的な影響しか与えなかった可能性のある寄生インダクタンスが明らかになります。-

 

誘導電圧は次のように表すことができます。

 

Vₗ=Lₚ × di/dt

どこ：

Vₗ=寄生誘導電圧
Lₚ=寄生ループ インダクタンス
di/dt=現在のスルーレート

 

たとえば、転流ループに 20 nH の寄生インダクタンスがあり、電流が 2 kA/μs で変化する場合、誘導電圧の寄与は約 40 V になります。

 

したがって、バスバースタック内の物理的なループ領域と反対の磁場を削減すると、半導体の電圧定格を増加させることなく、スイッチングのオーバーシュートを削減できます。

 

 

C1100/C11000 無酸素銅または電解タフピッチ銅-は、その高い導電率と成形能力により、大電流バスバーの構造に広く使用されています。-

 

材料	代表的な導電率	主な利点	一般的なバスバーの用途
C1100銅	~97 ～ 100% IACS	低い直流抵抗	DC-リンクとインバータの電力パス
C1020 無酸素銅-	~100% IACS	高導電性、低酸素含有量	大電流パワーエレクトロニクス-
C2680 真鍮	~25 ～ 30% IACS	より高い強度、成形性	端子、ブラケット、金具
アルミニウム6061	~40% IACS	低密度、構造強度	重量に敏感な導体-

 

大電流 SiC インバーターの場合、通常、一次電流経路には C1100 銅が選択されますが、導電性が二次的な機械取り付けコンポーネントには真鍮またはメッキ鋼が使用される場合があります。

 

銅の厚さは電流定格だけから選択されるわけではありません。設計では以下を考慮する必要があります。

実効値電流
パルス電流
デューティサイクル
許容温度上昇
周囲温度
冷却インターフェース
導体の幅と厚さ
近接効果
関節抵抗
めっきの厚さ

 

 

積層バスバーには、誘電体材料で分離された複数の導電層が含まれています。各銅層の寸法のばらつきは、取り付け穴、端子インターフェイス、およびコンデンサ接続ポイントに蓄積されます。

 

精密部品の場合、次の方法で寸法管理を確立できます。

順送金型スタンピング
CNC二次加工
-ダイリベット留め中
コイニング
精密曲げ加工
レーザートリミング
三次元測定機検査

形状によっては、制御されたフィーチャでは ±0.01 ～ 0.05 mm の寸法公差を達成できる場合がありますが、成形部品全体の公差は、材料の厚さ、曲げ半径、工具条件に従って定義する必要があります。-

 

設計図面では以下を区別する必要があります。

 

電気インターフェースの寸法
機械的位置決め寸法
非機能的ディメンション-
平坦度の要件
穴位置公差
溶接データムの要件

 

 

 

最も効果的な低インダクタンス構造は、一般に、出力電流経路と戻り電流経路を物理的に互いに近接して配置することによって得られます。-

 

積層構造では、正極と負極の導体を隣接する層に配置できます。

 

Cu(+) / 誘電体 / Cu(−)

 

反対の電流方向により、部分的に打ち消し合う磁場が生成されます。これによりループ面積が減少し、寄生インダクタンスが減少します。

 

高周波バスバー設計の場合、次のパラメータには電気シミュレーションと物理検証が必要です。-

導体の間隔
銅の厚さ
レイヤー配置
端子形状
電流の方向
オーバーラップエリア
ビアまたはボルトの位置
DC-リンク コンデンサの距離
半導体モジュールの距離
センサーの位置
ハウジングクリアランス
 

 

銅の厚さを厚くすると DC 抵抗は減少しますが、自動的に最小のスイッチング ループ インダクタンスが生成されるわけではありません。{0}}

 

正と負の導体が物理的に分離されている場合、厚さ 5 mm- の銅板でも過剰なループ インダクタンスが発生する可能性があります。

 

設計パラメータ	低-インダクタンスの方向	電気的な理由
正/負の間隔	最小化する	ループ領域を削減します
現在のパスの重複-	最大化する	磁場のキャンセルを改善します-
DC-リンク コンデンサの距離	最小化する	転流ループを短縮
端末遷移	コンパクト	局所的な誘導的不連続性を低減します
銅の厚さ	最適化する	抵抗と熱負荷を制御
ベンド	突然の遷移を最小限に抑える	現在の混雑を軽減します
ファスナーの位置	近電流界面	関節インピーダンスを制限します

 

実際の設計目標は、一般的なインダクタンス数値からではなく、インバータのスイッチング速度、半導体電圧定格、許容オーバーシュート、および測定された転流波形から確立する必要があります。

 

 

銅導体間の誘電体層は、連続 DC 電圧と反復的なスイッチング過渡現象の両方に耐える必要があります。

 

一般的な断熱設計変数には次のものがあります。

 

PETフィルム
PIフィルム
エポキシ粉体塗装
ポリイミド系
成形断熱構造

 

必要な絶縁耐力レベルは、システム電圧、過渡電圧、絶縁体の厚さ、沿面距離、空間距離、および環境条件によって異なります。

 

A material specification such as dielectric breakdown strength >15 kV/mm を完全な絶縁設計として扱うべきではありません。完成したアセンブリは、絶縁耐力、該当する場合は部分放電、熱老化、機械的完全性についても検証する必要があります。

 

 

数百ボルトの DC で動作する EV インバータの場合、絶縁間隔はコーティングの厚さだけから決定することはできません。

設計では次のことを考慮する必要があります。

 

動作電圧
過電圧カテゴリ
汚染度
材料グループ
高度
CTI
沿面距離
隙間距離
スイッチング過渡振幅

 

UL 94 V-0 は、絶縁材料の可燃性性能を定義する場合がありますが、IEC 60664-1 などの適用可能なシステム要件に従った電気絶縁調整に代わるものではありません。

 

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SiC インバータ バスバーは、端子、溶接接合部、または狭い電流遷移付近に 200 度を超える局所的なホットスポットを発生させながら、適度な平均温度で動作することがあります。

 

熱の問題は、銅の総断面積が不十分であることよりも、局所的な抵抗によって引き起こされることがよくあります。-

ジュール加熱は次のようになります。

 

P = I²R

接合抵抗がわずかに増加すると、大電流時に不釣り合いに大きな温度上昇が生じます。

たとえば、500 A では、接続抵抗がわずか 100 µΩ であると、次のような結果が得られます。

 

P = 500² × 0.0001 = 25 W

この 25 W は、銅バスバー全体に分散されるのではなく、比較的小さな境界面に集中します。

 

 

大電流バスバー アセンブリの場合、接合抵抗は目視検査だけではなくプロセス能力によって制御する必要があります。-

適用可能な接合技術には次のものがあります。

 

レーザー溶接

抵抗溶接

TIG溶接

ろう付け

分子拡散溶接

ボルト締めされた電気ジョイント

リベット留めされた導電性インターフェース

 

接合方法	一般的な強度	熱の影響を受けるゾーン-	寸法管理	適切な用途
レーザー溶接	高い	低い	高い	Cuバスバー端子
抵抗溶接	高い	ローカライズされた	高い	タブと細い導体
炉ろう付け	高い	広範囲の熱暴露	中くらい	複雑な銅アセンブリ
分子拡散溶接	非常に高いインターフェース品質	非常に低い	高い	精密積層構造
ボルトジョイント	機械的に整備可能	なし	中くらい	取り外し可能な接続

 

銅-対-のレーザー溶接の場合、ビーム吸収は多くの鋼よりも大幅に低くなります。したがって、表面状態、波長、出力密度、シールドガス、接合ギャップ、および熱抽出にはプロセス開発が必要です。

 

 

製造検証プログラムでは、寸法測定と熱測定を組み合わせる必要があります。

一般的な検証シーケンスには次のものが含まれます。

 

三次元測定機による端子位置と平坦度の検査。

電気接続部の 4 線抵抗測定。-

定義された場所での熱電対または RTD の測定。

代表的な電流下での赤外線熱画像。

サーマルサイクリング。

絶縁耐力試験。

溶接断面検査-。

該当する場合、破壊的な引張試験またはせん断試験。

 

放射率は裸の銅、メッキされた銅、コーティング、および酸化した表面の間で大きく異なるため、熱画像処理を唯一の合格方法として使用するべきではありません。

 

 

銅の熱膨張係数は約 16.5 ～ 17 ppm/度です。ポリマー絶縁体と隣接する金属コンポーネントは通常、異なる係数を持ちます。

 

したがって、温度サイクルを繰り返すと、次の箇所で機械的ストレスが発生します。

溶接界面
リベット留めされたインターフェース
コーティング境界
端子ボルト
コンデンサインターフェース
センサーの取り付けポイント

 

バスバー スタックは、熱膨張によって DC- リンク コンデンサ端子やインバータ半導体モジュールに過度の応力が伝わらないように設計する必要があります。

 

 

 

バスバーを DC{0}} リンク コンデンサおよび電流センサーと統合すると、電力ループが短縮され、組み立て数が削減されます。

ただし、機械的に統合すると、追加の制約が生じます。

 

バスバーは以下を同時に満たす必要があります。

電流容量
低い浮遊インダクタンス
コンデンサの端子位置合わせ
センサー開口部の調整
磁場制御-
沿面距離とクリアランス
ハウジングインターフェース
組立公差
保守性

 

 

DC-リンク コンデンサは、スイッチング電源段のできるだけ近くに配置する必要があります。

 

目的は、高周波の整流ループを最小限に抑えることです。-

 

DC-リンク コンデンサ → 正バスバー → SiC モジュール → 負バスバー → DC-リンク コンデンサ

 

これらの要素間の物理的距離が増加すると、導体の長さとループ面積が増加します。

 

このため、電気的には抵抗が低いが物理的に長いバスバーは、SiC の高速スイッチング中に、抵抗がわずかに高いが緊密に積層された設計よりもパフォーマンスが低下する可能性があります。{0}

 

 

電流センサーでは、ホール効果、フラックスゲート、シャント、またはその他のセンシング技術が使用される場合があります。{0}

 

センサー周囲のバスバーの形状は、制御された状態を維持する必要があります。

 

導体の位置
センサー開口部クリアランス
磁場の対称性-
機械的固定
絶縁間隔
熱絶縁

 

シャント-ベースの電流測定システムの場合、シャントの抵抗と温度係数は測定アーキテクチャの一部です。

 

磁流センサーの場合、感知素子に対する導体の位置がセンサーから見える磁場に影響を与える可能性があります。

 

したがって、バスバーの図面には、一般的なアセンブリ公差に依存するのではなく、明示的なセンサー データム参照を含める必要があります。

 

 

レーザー溶接の品質は接合部の形状に大きく依存します。

 

銅バスバー アセンブリの場合、プロセス ウィンドウは以下を制御する必要があります。

 

ジョイントギャップ

表面の清浄度

銅の厚さ

メッキ状態

レーザー出力

溶接速度

ビーム径

フォーカス位置

シールドガス

クランプ圧力

 

安定した溶接は、外観だけではなく金属組織学的断面を通じて検証する必要があります。{0}}

 

バスバー設計仕様のダウンロード

 

 

自動車プログラムの場合、電気的性能だけでは生産準備が確立されません。

 

実稼働検証パッケージには以下が含まれる場合があります。

DFMEA

PFMEA

制御計画

プロセスフロー図

MSA

SPC

能力調査

寸法検査報告書

材料証明書

溶接の検証

電気抵抗データ

耐電圧結果

熱試験結果

IMDS-関連のマテリアル情報（該当する場合）

梱包仕様

トレーサビリティ記録

 

 

大量生産の前に、重要な品質特性を特定する必要があります。{0}{1}

 

典型的な CTQ 特性には次のものがあります。

穴の位置
端子平坦度
銅の厚さ
断熱材の厚さ
溶接溶け込み
溶接強度
接合抵抗
めっき厚さ
耐電圧
センサーの位置合わせ

 

安定した量産プロセスのために、お客様は指定された重要な特性に対して Cpk 1.33 以上またはそれ以上の値を指定できます。-

実際の要件は、1 つの普遍的な機能しきい値を適用するのではなく、顧客の品質協定と管理計画に従う必要があります。

 

 

銀-メッキの界面が指定されている場合、XRF などの適切な測定方法を使用してメッキの厚さを検証する必要があります。

3 ～ 5 µm の Ag めっきなどの公称仕様には、以下を伴う必要があります。

基材仕様

アンダープレート仕様

最小局所厚さ

測定箇所

表面処理

接着要件

腐食要件

銅バスバーの場合、めっきは通常、コンポーネント全体に自動的に適用されるのではなく、定義された電気接触領域に適用されます。

 

 

材料データシートは出発点となります。製造検証では、完成したバスバーを評価する必要があります。

テスト プログラムには以下を含めることができます。

 

テスト	主な目的	典型的なコントロールポイント
耐電圧	電気絶縁	故障なし
絶縁抵抗	漏れの制御	顧客仕様
接合抵抗	電気損失	μΩ-レベルの測定
温度上昇	発熱	規定の電流/負荷
溶接断面-	融合品質	貫通/欠陥の基準
三次元測定機検査	寸法適合性	図面公差
めっき厚さ	接点耐久性	XRF測定
サーマルサイクリング	拡張耐久性	定義された温度プロファイル
振動	機械的耐久性	車両/システムプロファイル

 

 

EV バスバー アセンブリの生産ラインでは、材料の入荷から最終検査までのトレーサビリティを維持する必要があります。

 

典型的なトレーサビリティ チェーンは次のとおりです。

 

銅コイル → プレスロット → 成形 → 溶接 → 洗浄 → 絶縁 → メッキ → 組立 → 電気試験 → 最終検査

プロセスデータは、生産ロット、機械、ツーリングの状態、オペレーター、検査記録にリンクできます。

 

 

ツール戦略は、単に 2D プロファイルを再現するのではなく、最終的なアセンブリ アーキテクチャから始める必要があります。

 

金型の製造前に、エンジニアリングレビューで以下を評価する必要があります。

ストリップレイアウト

材料の利用

結晶粒方向

ベンドシーケンス

スプリングバック

突き刺し荷重

成形荷重

工具鋼の選択

摩耗面

バリの方向

データム戦略

溶接治具

検査治具

 

銅バスバーの場合、打ち抜かれたエッジが絶縁体または別の導体の近くにある場合、バリの方向が電気的および機械的に重要になる可能性があります。

 

 

一般的なストローク数では工具寿命を保証するものではありません。

実際の寿命は以下によって異なります。

銅の硬度

ストリップの厚さ

切削すきま

パンチ形状

金型材質

コーティング

プレス速度

潤滑

部品の形状

メンテナンス間隔

したがって、累積ストローク数のみに依存するのではなく、定義された摩耗制限と予防メンテナンス基準に基づいて工具を監視する必要があります。{0}}

 

 

信頼性の高い SiC バスバー開発プロセスでは、シミュレーションと物理測定の両方を使用する必要があります。

 

エンジニアリング シーケンスは次のように構成できます。

 

電気アーキテクチャ → 3D バスバーレイアウト → 電磁シミュレーション → 熱シミュレーション → DFM → ツーリング → プロトタイプ → CMM → 溶接検証 → 電気試験 → 熱試験 → PPAP

 

重要な点は、測定されたアセンブリが元の電気モデルと相関している必要があるということです。

 

製造されたアセンブリの測定値が 18 nH である場合、端子の形状、取り付けハードウェア、またはモデルから除外されているコネクタ遷移が原因で、シミュレートされた 8 nH ループでは十分ではありません。

 

 

モデルには以下を含める必要があります。

 

銅導体

ターミナル遷移

溶接部

コンデンサ接続箇所

半導体モジュールインターフェース

電気的に関連するファスナー

復路

電流分布に影響を与えるセンサー構造

 

高周波解析の場合、単純な DC 抵抗計算よりも完全な 3D 電磁モデルの方が適しています。-

 

 

抵抗測定では、低抵抗を特徴付けるケルビン 4 線式法を使用する必要があります。-

測定では以下を指定する必要があります。

 

試験電流

測定箇所

周囲温度

バスバー温度

安定時間

接点構成

 

銅の抵抗は温度とともに変化するため、テスト温度が定義されていない抵抗データの工学的価値は限られています。

 

 

EV ドライブ アプリケーション用のカスタム銅バスバーは、打ち抜き銅コンポーネントではなく、電磁、熱、機械アセンブリとして扱う必要があります。

 

SiC トラクション インバータの場合、エンジニアリングの優先順位は測定可能です。

<10 nH target for the defined high-frequency commutation loop
グレードに応じて 97 ～ 100% IACS 銅の導電率
制御されたμΩ-レベルの接合抵抗
システムで必要な場合、200 度を超える局所熱能力
定義された絶縁耐力と絶縁調整
設計が許可する場合、選択された精度フィーチャーで ±0.01 ～ 0.05 mm 制御
CMM- ベースの寸法検証
金属組織溶接の検証
XRF めっき-の厚さの検証
IATF 16949 生産管理
顧客が指定した場合の PPAP レベル 3 ドキュメント

 

正しいバスバーとは、電気モデル、熱モデル、製造プロセス、および検査データが同じ設計要件に収束しているバスバーです。

 

 

EV SiC インバーター バスバーの PPAP レベル 3 パッケージには通常どのような文書が含まれていますか?

PPAP レベル 3 パッケージには通常、PSW、図面、材料記録、寸法結果、PFMEA、管理計画、プロセス フロー、MSA、能力調査、および該当する検証レポートが含まれます。

 

カスタム銅インバーター バスバーの T1 ツールとプロトタイプのサンプリングにはどのくらい時間がかかりますか?

一般的な T1 開発サイクルは、形状、順送金型の複雑さ、溶接治具、材料の入手可能性、顧客の図面の承認に応じて、約 20～30 日で計画できます。-

 

銀メッキの厚さはどのように確認されますか銅バスバー端子?

銀めっきの厚さは、通常、定義された検査場所での XRF 測定によって検証されます。図面には、最小厚さ、測定領域、基板およびアンダープレートの要件を指定する必要があります。