Keraamiset rungot HVDC-kontaktoreille ja uusille sulakkeille: materiaalin ominaisuudet ja metallointi

HVDC-kontaktorin keraamiset rungot ja korkeajännitteiset sulakekeraamiset putket vaativat yli 15 kV/mm sähköeristyksen, vakaan mekaanisen lujuuden lämpökierron aikana ja luotettavan metalli-keraamisen liitoksen pitkäaikaisen-DC-katkon aikana. 95% alumiinioksidikeramiikasta valitaan laajalti, koska sen dielektrisyys, koostuvuus ja lämmönjohtavuus, EVva-järjestelmät täyttävät vaatimukset. ESS-suojayksiköt ja suurjännitetehoelektroniikka.

 

HVDC-sovelluksissa keraamisen suorituskyky ei riipu pelkästään materiaalin koostumuksesta vaan myös metalloinnin paksuudesta, Mo{0}}Mn-adheesion hallinnasta, juotoslämpötilaprofiilista ja mittatarkkuudesta. Pätevän keraamisen rungon valmistajan on valvottava koko prosessiketjua keraamisesta muotoilusta CMM-tarkastukseen ja heliumvuototestaukseen.

 

 

 

HVDC-kontaktorin keraamisen rungon suorituskykyvaatimukset 900–1500 V DC-järjestelmissä

 

Toisin kuin AC-kytkinlaitteet, HVDC-kontaktorit kohtaavat jatkuvan kaarienergian virrankatkon aikana, koska tasavirralla ei ole luonnollista nolla{0}}risteyskohtaa. Keraaminen kotelo tarjoaa sähköisen eristyksen ja ylläpitää sisäisen tyhjiön tai kaasun -tiiviit olosuhteet.

 

Keraamisen rungon on kestettävä:

Tasavirtajännitteen eristysvaatimukset 450 V - 1500 V akkualustoille

Toistuvat valokaaren katkaisujaksot yli 100 000 operaatiota

Nopeiden lämpötilan muutosten aiheuttama lämpöshokki

Mekaaninen rasitus metallitiivisterakenteista

Tyhjiövuotovaatimukset alle 1×10⁻⁹ Pa·m³/s

 

Tyypilliset HVDC-keraamikomponenttien suunnitteluvaatimukset:

Parametri	Tyypillinen vaatimus	Testausmenetelmä
Keraaminen materiaali	95 % alumiinioksidia (Al2O3)	Materiaalin koostumuksen analyysi
Dielektrinen lujuus	>15kV/mm	IEC 60243
Tilavuusvastus	>10¹⁴ Ω·cm	IEC 60093
Lämmönjohtavuus	20–25 W/m·K	ASTM E1461
Taivutusvoima	>300 MPa	ISO 14704
Käyttölämpötila	-55 astetta +200 asteeseen	Lämpöpyöräilytesti
Mitattoleranssi	±0,01 mm	CMM-tarkastus

 

95 % alumiinioksidikeramiikka sisältää noin 95 % alumiinioksidia kontrolloiduilla lasifaasilisäaineilla. Mikrorakenne tarjoaa korkeamman mekaanisen lujuuden kuin monet tavanomaiset eristemateriaalit säilyttäen samalla vakaat sähköiset ominaisuudet korkeissa lämpötiloissa.

 

Keraamisen eristeen vikariskit HVDC-kontaktoreissa ja sulakekokoonpanoissa

 

Yleiset keraamisen rungon viat liittyvät:

Sisäiset mikro{0}}halkeamat, jotka johtuvat väärästä sintrauslämpötilasta

Matala metalloinnin adheesiolujuus

Juotos ontelot keraamisten ja kupari/metalliliittimien välillä

Keraamisten ja metalliosien välinen lämpölaajenemisero

Lämpölaajenemiskerroin on sovitettava huolellisesti:

 

Materiaali	Lämpölaajenemiskerroin (×10⁻⁶/K)	Sovelluksen huomioiminen
95 % alumiinioksidikeramiikkaa	6.5–7.5	Soveltuu Mo{0}}Mn-metallointiin ja juottamiseen
Kupari C1100	16.5	Vaatii hallitun juotosjännityksen
Kovarin metalliseos	5.0–5.5	Yleinen tiivisteseos keraamisille kokoonpanoille
Ruostumaton teräs 304	17.2	Edellyttää laajenemiskompensointisuunnittelua

 

Suunnitellun alueen ylittävä epäsuhta voi aiheuttaa jäännösjännitystä juottamisen jälkeisen jäähdytyksen aikana, mikä johtaa keraamiseen halkeamiseen.

 

 

 

Materiaalivertailu korkeajännitesulakekeraamisiin putkiin ja kontaktorikoteloihin

 

95-prosenttinen alumiinioksidi ja steatiittikeramiikka ovat molemmat sähköeristysmateriaaleja, mutta niiden suorituskyky eroaa merkittävästi korkeajännitteisessä tasavirtaympäristössä.

Omaisuus	95 % alumiinioksidikeramiikkaa	Steatiitti keramiikka
Al₂O3-pitoisuus	95%	30–45%
Dielektrinen lujuus	>15kV/mm	8-12kV/mm
Taivutusvoima	300-400 MPa	120-200 MPa
Lämmönjohtavuus	20–25W/m·K	2–4W/m·K
Lämpöshokin kestävyys	Korkea	Keskikokoinen
Mekaaninen tarkkuus	±0,01 mm saavutettavissa	±0,03mm tyypillinen
Korkeajännite DC-sovellus	Suositeltava	Rajoitettu
Kustannustaso	Korkeampi	Alentaa

 

IEC 60269 -standardin vaatimusten mukaisesti toimivissa korkeajännitteisissä sulakekeraamisissa putkissa alumiinioksidikeramiikka kestää paremmin valokaaren -syntymää lämpöä ja mekaanisia iskuja.

Steatiittikeramiikkaa käytetään pääasiassa pienjännitteisissä{0}}eristyskomponenteissa, joissa lämpökierto ja dielektrinen jännitys ovat pienemmät.

 

Korkeajännitesulake keraamisen putken suunnitteluvaatimukset IEC 60269 -standardien mukaisesti

 

Uusien energiavarokekeraamisten putkien tulee säilyttää:

Valokaarisammutuskyky

Korkean lämpötilan kestävyys

Vakaa eristysetäisyys

Mekaaninen lujuus vikavirtakatkoksen aikana

 

Tyypillisiä sovelluksia ovat:

EV-akun sulakkeen suojaus

Energiaa varastoivan akkukaapin suojaus

Solar invertter DC suojajärjestelmät

Latauspinotehomoduulit

Yli 500 A jatkuvan virran litiumakun suojajärjestelmissä keraaminen putkirakenne vaikuttaa suoraan keskeytysluottamukseen.

 

Pyydä ilmainen DFM-arviointi ja tarjous

 

 

Mo-Mn metallointikerros kontrolloidulla tartuntavoimalla

Keramiikka itsessään ei voi sitoutua suoraan kuparin, Kovarin tai ruostumattoman teräksen kanssa, koska keraamisten oksidirakenteiden ja metallien välinen pintakemia on erilainen.

Vakioratkaisu on Mo{0}}Mn-metallointi.

Metallisointiprosessi sisältää:

Keraamisen pinnan puhdistus ja aktivointi
Mo{0}}Mn liitätulostus
Korkean-lämpötilan vetyatmosfääripoltto
Nikkelöinti
Tyhjiöjuottokokoonpano

 

Tyypilliset metallointiparametrit:

Prosessiparametri	Ohjausalue
Mo{0}}Mn kerroksen paksuus	10–30μm
Nikkelipinnoituksen paksuus	1–5μm
Polttolämpötila	1300-1450 astetta
Tunnelma	Vety/typpi
Tarttuvuus	>20 MPa

 

Molybdeenihiukkaset muodostavat mekaanisen ankkuroinnin keraamisten huokosten sisään, kun taas mangaanioksidi parantaa keramiikan ja metallin välistä kemiallista sitoutumista.

 

Vastusjuotto ja aktiivinen juotosprosessin vertailu

Käsitellä	Lämpötila-alue	Sidoksen vahvuus	Tyypillinen sovellus
Mo-Mn Metallointi + kovajuotto	780-900 astetta	Korkea	HVDC-kontaktorit
Aktiivinen juotos (Ag-Cu-Ti)	850-950 astetta	Erittäin korkea	Keraamiset{0}}metallityhjiökokoonpanot
Vastusjuotto	700-850 astetta	Keskitaso-Korkea	Paikallinen metalliliitos

 

HVDC-kontaktorin keraamisissa kappaleissa ohjattu uunijuotto on edullinen, koska se tarjoaa tasaisen lämpötilan jakautumisen ja vähentää jäännösjännitystä.

 

Keraamisten metallointi- ja juotosliitosten laadunvalvonta

Tuotantotarkastus sisältää:

CMM-mittojen mittaus

Metallisoitumisen tarttuvuuden testaus

Röntgentarkastus juotostautien varalta

Heliumvuodon testaus

Lämpöshokkitestaus

Korkeajänniteeristystestaus

 

Tyypilliset laatukriteerit:

Tarkastuskohde	Hyväksymisvaatimus
Keraaminen koko	±0,01 mm
Juottamisen tyhjyysaste	<5%
Heliumin vuoto	<1×10⁻⁹ Pa·m³/s
Eristysjännite	>15kV/mm
Metallisoituminen	>20 MPa

 

 

 

Keramiikkamuovauksen ja sintrauksen ohjaus ISO 9001 -tuotantojärjestelmien mukaisesti

Valmistusprosessi sisältää:

Keraamisen jauheen valmistus
Kuivapuristus tai ruiskupuristus
Vihreä koneistus
Sintraus korkeassa lämpötilassa
Tarkkuushionta
Metallisointi
Juottaminen
Lopputarkastus

 

Tärkeimmät tuotantoparametrit:

Valmistusvaihe	Ohjattu parametri
Jauheen sekoitus	Hiukkasten jakautuminen
Paina Muotoilu	Tiheyden tasaisuus
Sintraus	1600-1700 astetta
Hionta	±0,01 mm toleranssi
Metallisointi	Kerroksen paksuuden säätö
Tarkastus	CMM + sähkötestaus

 

Väärä sintrausohjaus voi aiheuttaa:

Avaa huokoset

Alennettu dielektrinen lujuus

Pinta halkeamia

Alempi mekaaninen luotettavuus

 

Laadunhallintavaatimukset auto- ja energiavarastoasiakkaille

Globaalien sähköautojen ja ESS-toimitusketjujen osalta keraamisten komponenttien toimittajat seuraavat yleensä:

IATF 16949 autoteollisuuden laadunhallinta
ISO 9001 valmistusvalvonta
ISO 14001 ympäristöjohtaminen
PPAP-tason 3 lähetys
RoHS- ja REACH-vaatimustenmukaisuus

 

Toimittajan laatudokumentaatio sisältää yleensä:

Materiaalitodistus
Prosessin vuokaavio
Valvontasuunnitelma
FMEA-analyysi
Mittatarkastusraportti
Luotettavuustestiraportti

 

 

Sähköakkujen akkujärjestelmät 400 V–1000 V suurjännitealustoilla

HVDC keraamisia komponentteja käytetään:

Akun pääkontaktorit
Esi{0}}latauskontaktorit
DC-pikalatausmoduulit
Akun irrotusyksiköt

Vaatimukset:

Korkea dielektrinen eristys
Pieni vuotovirta
Pitkä kytkentäikä
Valokaarieroosionkestävyys

IEC-standardien mukaiset ESS- ja PV-invertterisuojajärjestelmät

Energian varastointijärjestelmät vaativat keraamisia eristyskomponentteja:

Akkutelineen suojaus
DC-yhdistimen laatikot
Tehonmuuntojärjestelmät
Korkea{0}}jännitesulakekokoonpanot

 

Tyypilliset käyttöolosuhteet:

Sovellus	Jännitealue	Nykyinen alue
EV-akkujärjestelmä	400-1000V DC	100–600A
ESS-teline	750-1500V DC	200–1000A
PV invertteri	600-1500V DC	50–500A

 

Alumiinioksidikeraamisen rungon valmistajan valitseminen HVDC-sovelluksiin

 

Pätevän toimittajan tulee toimittaa:

95 % alumiinioksidikeraamisen materiaalin kyky
Mo-Mn-metallointitekniikka
Tyhjiöjuottoprosessi
CMM-tarkastusmahdollisuus
PPAP-tason 3 dokumentaatio
Erän jäljitysjärjestelmä

 

HVDC-kontaktoreita, sulakesuojalaitteita ja tehoelektroniikkamoduuleja kehittäville suunnittelutiimille keraamisen materiaalin valinta on arvioitava yhdessä metallointisuunnittelun, tiivistysprosessin ja käyttöiän luotettavuuden kanssa.

 

 

 

Kysymys 1: Mikä on suositeltu keraaminen materiaali HVDC-kontaktorin keraamisille rungoille?

95 % alumiinioksidikeramiikkaa suositellaan, koska se tarjoaa dielektrisen lujuuden yli 15 kV/mm, taivutuslujuuden yli 300 MPa ja vakaan suorituskyvyn lämpösyklissä.

 

Q2: Voiko alumiinioksidikeraamisten runkojen valmistaja toimittaa PPAP-tason 3 asiakirjoja?

Kyllä. Autoteollisuuden toimittajat voivat tarjota PPAP Level 3 -paketteja, mukaan lukien PFMEA, ohjaussuunnitelma, mittaraportit, materiaalitodistukset ja luotettavuustestit.

 

Kysymys 3: Miten Mo-Mn-metalloinnin paksuutta säädetään?keraamiset sulakeputket?

Mo-Mn-metalloinnin paksuutta säädetään tyypillisesti 10–30 μm:n sisällä käyttämällä silkkipainatusparametreja, poltto-olosuhteita ja tartuntatestausta metalloinnin jälkeen.