Kerámia testek HVDC mágneskapcsolókhoz és új energiabiztosítékokhoz: Anyagtulajdonságok és fémezés

A HVDC kontaktor kerámia testek és a nagyfeszültségű biztosítékos kerámia csövek 15 kV/mm feletti elektromos szigetelést, stabil mechanikai szilárdságot igényelnek hőciklus alatt, és megbízható fém-kerámia kötést a hosszú-egyenáram megszakítása esetén. 95%-os alumínium-oxid kerámiát széles körben választanak ki, mert dielektromos szilárdsága, hővezető képessége, EVva-rendszere megfelel ESS védelmi egységek és nagyfeszültségű teljesítményelektronika.

 

A HVDC alkalmazásoknál a kerámia teljesítménye nemcsak az anyag összetételétől, hanem a fémezés vastagságától, a Mo{0}}Mn tapadásszabályozástól, a keményforrasztási hőmérsékleti profiltól és a méretpontosságtól is függ. Egy minősített kerámiatest gyártónak kell irányítania a teljes folyamatláncot a kerámiaformázástól a CMM-ellenőrzésig és a hélium szivárgásvizsgálatáig.

 

 

 

HVDC mágneskapcsoló kerámia test teljesítménykövetelményei 900 V–1500 V DC rendszerek alatt

 

Az AC kapcsolókészülékekkel ellentétben a HVDC mágneskapcsolók folyamatos ívenergiával szembesülnek az áramkimaradás során, mivel az egyenáramnak nincs természetes nulla{0}}keresztpontja. A kerámia ház elektromos szigetelést biztosít, és fenntartja a belső vákuum- vagy gáztömör-tömítési feltételeket.

 

A kerámia testnek ellenállnia kell:

Egyenáramú feszültségszigetelési követelmények 450 V-tól 1500 V-ig terjedő akkumulátorplatformokon

Ismételt ívmegszakítási ciklusok 100 000 művelet felett

A gyors hőmérsékletváltozások által okozott hősokk

Fém tömítőszerkezetek mechanikai igénybevétele

Vákuumos szivárgási követelmények 1×10⁻⁹ Pa·m³/s alatt

 

A HVDC kerámia alkatrészek tipikus műszaki követelményei:

Paraméter	Tipikus követelmény	Vizsgálati módszer
Kerámia anyag	95% alumínium-oxid (Al2O3)	Anyagösszetétel elemzés
Dielektromos szilárdság	>15kV/mm	IEC 60243
Térfogat-ellenállás	>10¹⁴ Ω·cm	IEC 60093
Hővezetőképesség	20–25 W/m·K	ASTM E1461
Hajlító szilárdság	>300 MPa	ISO 14704
Üzemi hőmérséklet	-55 foktól +200 fokig	Termikus kerékpáros teszt
Dimenziótűrés	±0,01 mm	CMM ellenőrzés

 

A 95% alumínium-oxid kerámia körülbelül 95% alumínium-oxidot tartalmaz, szabályozott üvegfázisú adalékokkal. A mikrostruktúra nagyobb mechanikai szilárdságot biztosít, mint sok hagyományos szigetelőanyag, miközben megőrzi stabil elektromos tulajdonságait magas hőmérsékleten.

 

A kerámia szigetelés meghibásodásának kockázata a HVDC mágneskapcsolókban és biztosítékegységekben

 

A kerámiatest gyakori hibái a következőkhöz kapcsolódnak:

Nem megfelelő szinterezési hőmérséklet által okozott belső mikro{0}}repedések

Alacsony fémezési tapadási szilárdság

Forrasztási üregek a kerámia és a réz/fém csatlakozók között

Hőtágulási eltérés a kerámia és a fém alkatrészek között

A hőtágulási együtthatót gondosan össze kell hangolni:

 

Anyag	Hőtágulási együttható (×10⁻⁶/K)	Alkalmazás mérlegelése
95% alumínium-oxid kerámia	6.5–7.5	Alkalmas Mo{0}}Mn fémezéshez és keményforrasztáshoz
Réz C1100	16.5	Ellenőrzött forrasztási feszültséget igényel
Kovar ötvözet	5.0–5.5	Általános tömítőötvözet kerámia szerelvényekhez
Rozsdamentes acél 304	17.2	Táguláskompenzációs kialakítást igényel

 

A tervezett tartományt meghaladó eltérés a keményforrasztás utáni hűtés során maradó feszültséget okozhat, ami a kerámia repedéséhez vezethet.

 

 

 

Anyag-összehasonlítás nagyfeszültségű biztosító kerámia cső és kontaktorház alkalmazásokhoz

 

A 95%-os alumínium-oxid és a szteatit kerámia egyaránt elektromos szigetelőanyag, de teljesítményük jelentősen eltér nagyfeszültségű egyenáramú környezetben.

Ingatlan	95% alumínium-oxid kerámia	Steatit kerámia
Al₂O3 tartalom	95%	30–45%
Dielektromos szilárdság	>15kV/mm	8-12kV/mm
Hajlító szilárdság	300-400 MPa	120-200 MPa
Hővezetőképesség	20–25W/m·K	2–4W/m·K
Hőütésállóság	Magas	Közepes
Mechanikai pontosság	±0,01 mm elérhető	±0,03 mm jellemző
Nagyfeszültségű egyenáramú alkalmazás	Ajánlott	Korlátozott
Költségszint	Magasabb	Alacsonyabb

 

Az IEC 60269 követelményei szerint működő nagy-biztosítós kerámia csövek esetében az alumínium-oxid kerámia jobb ellenállást biztosít az ív-hővel és mechanikai ütésekkel szemben.

A szteatit kerámiát főként alacsony feszültségű szigetelőelemekben használják, ahol alacsonyabb a hőciklus és a dielektromos feszültség.

 

Nagyfeszültségű biztosítékos kerámiacső tervezési követelményei az IEC 60269 szabványok szerint

 

Az új energiabiztosító kerámia csöveknek fenn kell tartaniuk:

Ív oltási képesség

Magas hőmérsékleti ellenállás

Stabil szigetelési távolság

Mechanikai szilárdság hibaáram megszakításkor

 

Tipikus alkalmazások a következők:

EV akkumulátor csomag biztosíték védelem

Energiatároló akkumulátor szekrény védelem

Solar inverteres DC védelmi rendszerek

Töltő cölöp teljesítménymodulok

Az 500 A folyamatos áramot meghaladó lítium akkumulátor védelmi rendszerek esetében a kerámia cső kialakítása közvetlenül befolyásolja a megszakítási megbízhatóságot.

 

Kérjen ingyenes DFM értékelést és árajánlatot

 

 

Mo-Mn fémezési réteg szabályozott tapadási szilárdsággal

Maga a kerámia nem tud közvetlenül kötődni rézhez, Kovarhoz vagy rozsdamentes acélhoz, mivel a kerámia-oxid szerkezetek és a fémek felületi kémiája eltérő.

A standard megoldás a Mo{0}}Mn fémezés.

A fémezési folyamat a következőket tartalmazza:

Kerámia felületek tisztítása és aktiválása
Mo-Mn paszta nyomtatás
Magas-hőmérsékletű hidrogén atmoszféra tüzelés
Nikkelezés
Vákuumos keményforrasztó egység

 

Tipikus fémezési paraméterek:

Folyamat paraméter	Vezérlési tartomány
Mo{0}}Mn rétegvastagság	10–30μm
Nikkelezési vastagság	1–5μm
Égési hőmérséklet	1300-1450 fok
Légkör	Hidrogén/nitrogén
Tapadási szilárdság	>20 MPa

 

A molibdén részecskék mechanikus rögzítést hoznak létre a kerámia pórusaiban, míg a mangán-oxid javítja a kerámia és a fém közötti kémiai kötést.

 

Ellenállási keményforrasztás és aktív keményforrasztási folyamatok összehasonlítása

Folyamat	Hőmérséklet tartomány	Bond Strength	Tipikus alkalmazás
Mo-Mn fémezés + keményforrasztás	780-900 fok	Magas	HVDC mágneskapcsolók
Aktív keményforrasztás (Ag-Cu-Ti)	850-950 fok	Nagyon magas	Kerámia{0}}fém vákuumegységek
Ellenállási keményforrasztás	700-850 fok	Közepes-Magas	Lokalizált fémcsatlakozás

 

A HVDC kontaktoros kerámiatesteknél előnyben részesítik a szabályozott kemencés keményforrasztást, mert egyenletes hőmérséklet-eloszlást biztosít és csökkenti a maradék feszültséget.

 

Kerámia fémező és keményforrasztó kötések minőségellenőrzése

A gyártásellenőrzés a következőket tartalmazza:

CMM méretmérés

Fémezési tapadás vizsgálata

A keményforrasztási üregek röntgenvizsgálata

Hélium szivárgásvizsgálat

Hősokk vizsgálat

Nagyfeszültségű szigetelés vizsgálata

 

Tipikus minőségi kritériumok:

Ellenőrzési tétel	Elfogadási követelmény
Kerámia méret	±0,01 mm
Forrasztás üresedési aránya	<5%
Hélium szivárgás	<1×10⁻⁹ Pa·m³/s
Szigetelési feszültség	>15kV/mm
Metalizálási tapadás	>20 MPa

 

 

 

Kerámiaformázás és szinterezés szabályozása ISO 9001 gyártási rendszerek szerint

A gyártási folyamat a következőket tartalmazza:

Kerámia por készítése
Száraz sajtolás vagy fröccsöntés
Zöld megmunkálás
Magas hőmérsékletű szinterezés
Precíziós köszörülés
Metalizálás
Forrasztás
Végső ellenőrzés

 

Főbb gyártási paraméterek:

Gyártási szakasz	Szabályozott paraméter
Porkeverés	Részecskeeloszlás
Nyomja meg a Forming gombot	Sűrűség egyenletessége
Szinterezés	1600-1700 fok
Őrlés	±0,01 mm tűrés
Metalizálás	Rétegvastagság szabályozás
Ellenőrzés	CMM + elektromos tesztelés

 

A nem megfelelő szinterezés szabályozása a következőket okozhatja:

Nyitott pórusok

Csökkentett dielektromos szilárdság

Felületi repedések

Alacsonyabb mechanikai megbízhatóság

 

Minőségirányítási követelmények az autóipari és energiatároló ügyfelek számára

A globális elektromos járművek és ESS ellátási láncok esetében a kerámiaalkatrész-beszállítók általában követik:

IATF 16949 autóipari minőségirányítás
ISO 9001 gyártásellenőrzés
ISO 14001 környezetmenedzsment
PPAP 3. szintű benyújtás
RoHS és REACH megfelelés

 

A szállító minőségi dokumentációja általában a következőket tartalmazza:

Anyagbizonyítvány
Folyamat diagram
Irányítási terv
FMEA elemzés
Méretvizsgálati jegyzőkönyv
Megbízhatósági vizsgálati jelentés

 

 

Elektromos elektromos akkumulátorrendszerek 400–1000 V-os nagyfeszültségű platformokkal

A HVDC kerámia alkatrészeket a következőkben használják:

Fő akkumulátor kontaktorok
Elő-töltő kontaktorok
DC gyorstöltő modulok
Az akkumulátor leválasztó egységek

Követelmények:

Magas dielektromos szigetelés
Alacsony szivárgási áram
Hosszú kapcsolási élettartam
Ellenállás az íverózióval szemben

ESS és PV invertervédelmi rendszerek az IEC szabványok szerint

Az energiatároló rendszerek kerámia szigetelőelemeket igényelnek:

Akkumulátortartó védelem
DC kombináló dobozok
Áramátalakító rendszerek
Nagyfeszültségű{0}}biztosíték-szerelvények

 

Tipikus működési feltételek:

Alkalmazás	Feszültség tartomány	Jelenlegi tartomány
EV akkumulátor rendszer	400-1000V DC	100–600A
ESS Rack	750-1500V DC	200–1000A
PV inverter	600-1500V DC	50–500A

 

Alumínium-oxid kerámiaház-gyártó kiválasztása HVDC alkalmazásokhoz

 

A minősített szállítónak biztosítania kell:

95% alumínium-oxid kerámia anyagképesség
Mo-Mn fémezési technológia
Vákuumos keményforrasztási eljárás
CMM vizsgálati képesség
PPAP 3. szintű dokumentáció
Batch nyomonkövetési rendszer

 

A HVDC mágneskapcsolókat, biztosítékvédő eszközöket és teljesítményelektronikai modulokat fejlesztő mérnökcsapatok esetében a kerámiaanyag-választást a fémezési tervezéssel, a tömítési eljárással és az élettartam-megbízhatósági követelményekkel együtt kell értékelni.

 

 

 

Q1: Mi az ajánlott kerámiaanyag a HVDC kontaktor kerámiatestekhez?

A 95%-os alumínium-oxid kerámia ajánlott, mert 15 kV/mm feletti dielektromos szilárdságot, 300 MPa feletti hajlítószilárdságot és stabil teljesítményt biztosít termikus ciklus alatt.

 

2. kérdés: Az alumínium-oxid kerámia test gyártója biztosíthat PPAP 3. szintű dokumentumokat?

Igen. Az autóipari beszállítók PPAP 3. szintű csomagokat tudnak biztosítani, beleértve a PFMEA-t, a szabályozási tervet, a méretjelentéseket, az anyagtanúsítványokat és a megbízhatósági vizsgálati jegyzőkönyveket.

 

3. kérdés: Hogyan szabályozható a Mo{1}}Mn fémezési vastagság?kerámia biztosítékcsövek?

M