HVDC kontaktorite ja uute energiakaitsmete keraamilised korpused: materjali omadused ja metalliseerimine

HVDC kontaktori keraamilised korpused ja kõrgepinge kaitsmekeraamilised torud nõuavad elektriisolatsiooni üle 15 kV/mm, stabiilset mehaanilist tugevust termilisel tsüklil ja usaldusväärset metalli-keraamilist sidumist pikaajalisel-alalisvoolukatkestuse ajal. 95% alumiiniumoksiidi keraamikat on laialdaselt valitud, kuna selle dielektriline tugevus ja soojusjuhtivus, soojusjuhtivus ja soojusjuhtivus, soojusjuhtivus ja soojusjuhtivussüsteemid vastavad soojusjuhtivuse nõuetele. ESS kaitseüksused ja kõrgepinge jõuelektroonika.

 

Kõrgvoolu alalisvoolu rakenduste puhul ei sõltu keraamika jõudlus mitte ainult materjali koostisest, vaid ka metallistamise paksusest, Mo{0}}Mn nakkekontrollist, kõvajoodisega jootmise temperatuuriprofiilist ja mõõtmete täpsusest. Kvalifitseeritud keraamilise kere tootja peab kontrollima kogu protsessi ahelat alates keraamilisest vormimisest kuni CMM-i kontrollimiseni ja heeliumi lekke testimiseni.

 

 

 

HVDC kontaktori keraamilise korpuse jõudlusnõuded 900 V–1500 V alalisvoolusüsteemides

 

Erinevalt vahelduvvoolu lülitusseadmetest puutuvad HVDC kontaktorid voolukatkestuse ajal kokku pideva kaareenergiaga, kuna alalisvoolul puudub loomulik null{0}}ristumispunkt. Keraamiline korpus tagab elektriisolatsiooni ja säilitab sisemise vaakumi või gaasi -tiheduse.

 

Keraamiline korpus peab vastu pidama:

Nõuded alalispinge isolatsioonile 450 V kuni 1500 V akuplatvormidel

Korduvad kaare katkestamise tsüklid üle 100 000 toimingu

Kiiretest temperatuurimuutustest põhjustatud termošokk

Metallist tihenduskonstruktsioonide mehaaniline pinge

Vaakumilekke nõuded alla 1×10⁻⁹ Pa·m³/s

 

HVDC keraamiliste komponentide tüüpilised tehnilised nõuded:

Parameeter	Tüüpiline nõue	Testimismeetod
Keraamiline materjal	95% alumiiniumoksiid (Al2O3)	Materjali koostise analüüs
Dielektriline tugevus	>15kV/mm	IEC 60243
Mahutakistus	>10¹⁴ Ω·cm	IEC 60093
Soojusjuhtivus	20–25 W/m·K	ASTM E1461
Paindetugevus	>300 MPa	ISO 14704
Töötemperatuur	-55 kraadi kuni +200 kraadi	Termilise rattasõidu test
Mõõtmete tolerants	±0,01 mm	CMM-i kontroll

 

95% alumiiniumoksiidi keraamika sisaldab ligikaudu 95% alumiiniumoksiidi koos kontrollitud klaasfaasi lisanditega. Mikrostruktuur tagab suurema mehaanilise tugevuse kui paljud tavalised isoleermaterjalid, säilitades samal ajal stabiilsed elektrilised omadused kõrgel temperatuuril.

 

Keraamilise isolatsiooni rikkeoht HVDC kontaktorites ja kaitsmekoostudes

 

Tavalised keraamilise korpuse rikked on seotud:

Valest paagutamistemperatuurist põhjustatud sisemised mikro{0}}praod

Madal metalliseerimise adhesioonitugevus

Keraamiliste ja vask/metalliklemmide vahel kõvajoodisjootmisel

Soojuspaisumise mittevastavus keraamiliste ja metallkomponentide vahel

Soojuspaisumistegur tuleb hoolikalt sobitada:

 

Materjal	Soojuspaisumise koefitsient (×10⁻⁶/K)	Rakenduse kaalumine
95% alumiiniumoksiidi keraamika	6.5–7.5	Sobib Mo{0}}Mn metalliseerimiseks ja kõvajoodisega jootmiseks
Vask C1100	16.5	Nõuab kontrollitud kõvajoodispinget
Kovari sulam	5.0–5.5	Keraamiliste sõlmede tavaline tihendussulam
Roostevaba teras 304	17.2	Nõuab laienemise kompenseerimise disaini

 

Projekteeritud vahemikku ületav mittevastavus võib pärast kõvajoodisjootmist jahutamisel tekitada jääkpingeid, mis võib põhjustada keraamika pragunemist.

 

 

 

Materjalide võrdlus kõrgepinge kaitsmekeraamilise toru ja kontaktori korpuse rakenduste jaoks

 

95% alumiiniumoksiid ja steatiitkeraamika on mõlemad elektriisolatsioonimaterjalid, kuid nende jõudlus erineb kõrgepinge alalisvoolu keskkondades oluliselt.

Kinnisvara	95% alumiiniumoksiidi keraamika	Steatiitkeraamika
Al₂O3 sisaldus	95%	30–45%
Dielektriline tugevus	>15kV/mm	8–12kV/mm
Paindetugevus	300-400 MPa	120-200 MPa
Soojusjuhtivus	20–25W/m·K	2–4W/m·K
Soojusšoki vastupidavus	Kõrge	Keskmine
Mehaaniline täpsus	±0,01 mm saavutatav	±0,03 mm tüüpiline
Kõrgepinge alalisvoolu rakendus	Soovitatav	Piiratud
Kulutase	Kõrgem	Madalam

 

IEC 60269 nõuetele vastavate kõrgepinge{0}}kaitsmekeraamiliste torude puhul tagab alumiiniumoksiidi keraamika parema vastupidavuse kaare{2}}kuumusele ja mehaanilistele löökidele.

Steatiitkeraamikat kasutatakse peamiselt madalpinge{0}}isolatsioonikomponentides, kus termiline tsükkel ja dielektriline pinge on väiksemad.

 

Kõrgepinge kaitsmekeraamilise toru konstruktsiooninõuded vastavalt standardile IEC 60269

 

Uued energiakaitsmekeraamilised torud peavad säilitama:

Kaare kustutusvõime

Kõrge temperatuuritaluvus

Stabiilne isolatsioonikaugus

Mehaaniline tugevus rikkevoolu katkestuse ajal

 

Tüüpilised rakendused hõlmavad järgmist:

EV aku kaitsme kaitse

Energiasalvestise aku kapi kaitse

Päikese inverteri alalisvoolu kaitsesüsteemid

Laadimisvaiade toitemoodulid

Liitiumaku kaitsesüsteemide puhul, mille pidevvool on üle 500 A, mõjutab keraamilise toru konstruktsioon otseselt katkestuste töökindlust.

 

Küsige tasuta DFM-i hindamist ja hinnapakkumist

 

 

Mo-Mn metalliseerimiskiht kontrollitud haardumistugevusega

Keraamika ise ei saa keraamiliste oksiidstruktuuride ja metallide erineva pinnakeemia tõttu otseselt siduda vase, Kovari või roostevaba terasega.

Standardlahendus on Mo{0}}Mn metalliseerimine.

Metalliseerimisprotsess hõlmab:

Keraamiliste pindade puhastamine ja aktiveerimine
Mo-Mn pasta printimine
Põletamine kõrgel-temperatuuril vesiniku atmosfääris
Nikeldamine
Vaakumjoodisjootmise komplekt

 

Tüüpilised metalliseerimise parameetrid:

Protsessi parameeter	Juhtimisvahemik
Mo{0}}Mn kihi paksus	10–30μm
Nikeldamise paksus	1–5μm
Põletamise temperatuur	1300-1450 kraadi
Atmosfäär	Vesinik/lämmastik
Adhesioonitugevus	>20 MPa

 

Molübdeeniosakesed loovad keraamiliste pooride sisse mehaanilise ankurduse, samas kui mangaanoksiid parandab keraamika ja metalli vahelist keemilist sidet.

 

Vastupidavusjootmise ja aktiivse kõvajoodisega jootmise protsesside võrdlus

Protsess	Temperatuurivahemik	Sideme tugevus	Tüüpiline rakendus
Mo-Mn Metalliseerimine + kõvajoodisjootmine	780-900 kraadi	Kõrge	HVDC kontaktorid
Aktiivne kõvajoodisjootmine (Ag-Cu-Ti)	850-950 kraadi	Väga kõrge	Keraamilised{0}}metallist vaakumsõlmed
Vastupidav jootmine	700-850 kraadi	Keskmine{0}}Kõrge	Lokaliseeritud metallide ühendamine

 

HVDC-kontaktori keraamiliste korpuste puhul eelistatakse juhitud ahju jootmist, kuna see tagab ühtlase temperatuurijaotuse ja vähendab jääkpinget.

 

Keraamiliste metalliseerimis- ja jootmisvuukide kvaliteedikontroll

Tootmiskontroll sisaldab:

CMM mõõtmete mõõtmine

Metallisatsiooni adhesioonikatse

Röntgenjootmise tühimike kontrollimine-

Heeliumi lekke testimine

Termošoki testimine

Kõrgepinge isolatsiooni testimine

 

Tüüpilised kvaliteedikriteeriumid:

Ülevaatus üksus	Vastuvõtmise nõue
Keraamiline mõõde	±0,01 mm
Jootmise tühimike määr	<5%
Heeliumi leke	<1×10⁻⁹ Pa·m³/s
Isolatsiooni pinge	>15kV/mm
Metalliseerimise adhesioon	>20 MPa

 

 

 

Keraamika vormimise ja paagutamise juhtimine ISO 9001 tootmissüsteemide alusel

Tootmisprotsess sisaldab:

Keraamilise pulbri valmistamine
Kuivpressimine või survevalu
Roheline mehaaniline töötlemine
Kõrge temperatuuriga paagutamine
Täppislihvimine
Metalliseerimine
Jootmine
Lõplik ülevaatus

 

Peamised tootmisparameetrid:

Tootmise etapp	Kontrollitud parameeter
Pulbri segamine	Osakeste jaotus
Vajutage Vormimine	Tiheduse ühtlus
Paagutamine	1600-1700 kraadi
Lihvimine	tolerants ±0,01 mm
Metalliseerimine	Kihi paksuse juhtimine
Ülevaatus	CMM + elektriline testimine

 

Vale paagutamise juhtimine võib põhjustada:

Avatud poorid

Vähendatud dielektriline tugevus

Pinna praod

Madalam mehaaniline töökindlus

 

Kvaliteedijuhtimise nõuded autotööstuse ja energiahoidlate klientidele

Globaalsete elektri- ja ESS-i tarneahelate puhul järgivad keraamiliste komponentide tarnijad tavaliselt järgmist:

IATF 16949 autotööstuse kvaliteedijuhtimine
ISO 9001 tootmiskontroll
ISO 14001 keskkonnajuhtimine
PPAP 3. taseme esitamine
RoHS ja REACH vastavus

 

Tarnija kvaliteedidokumentatsioon sisaldab tavaliselt järgmist:

Materjali sertifikaat
Protsessi vooskeem
Kontrolliplaan
FMEA analüüs
Mõõtmete ülevaatuse akt
Usaldusväärsuse testi aruanne

 

 

400–1000 V kõrgepingeplatvormidega elektrisõidukite akusüsteemid

HVDC keraamilisi komponente kasutatakse:

Peamised aku kontaktorid
Eellaadimiskontaktorid-
DC kiirlaadimismoodulid
Aku lahtiühendamisüksused

Nõuded:

Kõrge dielektriline isolatsioon
Madal lekkevool
Pikk lülitusiga
Vastupidavus kaare erosioonile

ESS ja PV inverteri kaitsesüsteemid vastavalt IEC standarditele

Energiasalvestussüsteemid nõuavad keraamilisi isolatsioonikomponente:

Akuriiuli kaitse
DC-kombaini karbid
Võimsuse muundamise süsteemid
Kõrgepinge{0}}kaitsmekomplektid

 

Tüüpilised töötingimused:

Rakendus	Pinge vahemik	Praegune vahemik
EV akusüsteem	400-1000V DC	100–600A
ESS Rack	750–1500 V DC	200–1000A
PV Inverter	600-1500V DC	50–500A

 

Alumiiniumoksiidi keraamilise korpuse tootja valimine HVDC rakenduste jaoks

 

Kvalifitseeritud tarnija peaks pakkuma:

95% alumiiniumoksiidi keraamilise materjali võime
Mo-Mn metalliseerimise tehnoloogia
Vaakumjoodisjootmise protsess
CMM-i kontrollimise võimalus
PPAP 3. taseme dokumentatsioon
Partii jälgimise süsteem

 

Insenerimeeskondade jaoks, kes arendavad HVDC kontaktoreid, kaitsmekaitseseadmeid ja jõuelektroonikamooduleid, tuleb keraamiliste materjalide valikut hinnata koos metalliseerimise disaini, tihendusprotsessi ja eluea töökindluse nõuetega.

 

 

 

K1: Mis on HVDC kontaktori keraamiliste korpuste jaoks soovitatav keraamiline materjal?

Soovitatav on kasutada 95% alumiiniumoksiidi keraamikat, kuna see tagab dielektrilise tugevuse üle 15 kV/mm, paindetugevuse üle 300 MPa ja stabiilse jõudluse termilise tsükli korral.

 

Q2: Kas alumiiniumoksiidi keraamilise korpuse tootja saab esitada PPAP 3. taseme dokumente?

Jah. Autode tarnijad saavad pakkuda PPAP 3. taseme pakette, sealhulgas PFMEA, juhtimisplaani, mõõtmete aruandeid, materjalide sertifikaate ja töökindlustestide dokumente.

 

3. küsimus: kuidas reguleeritakse Mo{1}}Mn metalliseerimise paksust?keraamilised kaitsmetorud?

Mo-Mn metalliseerimise paksust kontrollitakse tavaliselt vahemikus 10–30 μm, kasutades siiditrüki parameetreid, põletustingimusi ja metalliseerimise järgset adhesioonitesti.