بدنه های سرامیکی برای کنتاکتورهای HVDC و فیوزهای انرژی جدید: خواص مواد و متالیزاسیون

بدنه‌های سرامیکی کنتاکتور HVDC و لوله‌های سرامیکی فیوز ولتاژ بالا به عایق الکتریکی بالاتر از 15 کیلو ولت بر میلی‌متر، استحکام مکانیکی پایدار تحت سیکل حرارتی، و اتصال فلزی قابل اعتماد-سرامیکی در طول-وقفه طولانی‌مدت DC. 95% آلومینای سرامیکی، رسانایی آلومینا و استحکام رسانایی متوسط و خلا به طور گسترده انتخاب شده است. الزامات سیستم های باتری EV، واحدهای حفاظتی ESS، و الکترونیک قدرت ولتاژ بالا.

 

برای کاربردهای HVDC، عملکرد سرامیک نه تنها به ترکیب مواد، بلکه به ضخامت متالیزاسیون، کنترل چسبندگی Mo{0}}Mn، مشخصات دمای لحیم کاری و دقت ابعادی نیز بستگی دارد. یک سازنده بدنه سرامیکی واجد شرایط باید زنجیره فرآیند کامل از شکل‌دهی سرامیکی تا بازرسی CMM و آزمایش نشت هلیوم را کنترل کند.

 

 

 

الزامات عملکرد بدنه سرامیکی کنتاکتور HVDC تحت سیستم های DC 900-1500 ولت

 

برخلاف دستگاه های سوئیچینگ AC، کنتاکتورهای HVDC در طول قطع جریان با انرژی قوس پیوسته مواجه می شوند، زیرا DC نقطه عبور طبیعی ندارد-. محفظه سرامیکی عایق الکتریکی را فراهم می کند و خلاء داخلی یا گاز{2}}شرایط آب بندی محکم را حفظ می کند.

 

بدنه سرامیکی باید مقاومت کند:

الزامات عایق ولتاژ DC از سکوهای باتری 450 ولت تا 1500 ولت

تکرار چرخه قطع قوس بالای 100000 عملیات

شوک حرارتی ناشی از تغییرات سریع دما

تنش مکانیکی ناشی از سازه های آب بندی فلزی

الزامات نشت خلاء کمتر از 1×10-4 Pa·m3/s

 

الزامات مهندسی معمولی برای قطعات سرامیکی HVDC:

پارامتر	نیاز معمولی	روش تست
جنس سرامیک	95٪ آلومینا (Al2O3)	تجزیه و تحلیل ترکیب مواد
قدرت دی الکتریک	>15 کیلو ولت بر میلی متر	IEC 60243
مقاومت حجمی	>10¹4 Ω·cm	IEC 60093
هدایت حرارتی	20–25 W/m·K	ASTM E1461
قدرت خمشی	>300 مگاپاسکال	ISO 14704
دمای عملیاتی	-55 درجه تا +200 درجه	تست ترمال سیکلینگ
تحمل ابعادی	± 0.01 میلی متر	بازرسی CMM

 

سرامیک آلومینا 95 درصد حاوی تقریباً 95 درصد اکسید آلومینیوم با افزودنی های فاز شیشه ای کنترل شده است. ریزساختار مقاومت مکانیکی بالاتری را نسبت به بسیاری از مواد عایق معمولی فراهم می کند و در عین حال خواص الکتریکی پایدار را در دماهای بالا حفظ می کند.

 

خطرات شکست عایق سرامیکی در کنتاکتورهای HVDC و مجموعه های فیوز

 

خرابی های رایج بدنه سرامیکی به موارد زیر مربوط می شود:

ریز{0}}ترک های داخلی ناشی از دمای پخت نامناسب

استحکام چسبندگی متالیزاسیون پایین

لحیم کاری فضاهای خالی بین پایانه های سرامیکی و مسی/فلزی

عدم تطابق انبساط حرارتی بین اجزای سرامیکی و فلزی

ضریب انبساط حرارتی باید به دقت مطابقت داده شود:

 

مواد	ضریب انبساط حرارتی (×10-6/K)	در نظر گرفتن برنامه
95% سرامیک آلومینا	6.5–7.5	مناسب برای فلزسازی و لحیم کاری Mo{0}}Mn
مس C1100	16.5	به تنش لحیم کاری کنترل شده نیاز دارد
آلیاژ کوار	5.0–5.5	آلیاژ آب بندی معمولی برای مجموعه های سرامیکی
فولاد ضد زنگ 304	17.2	به طراحی جبران توسعه نیاز دارد

 

عدم تطابق بیش از محدوده طراحی شده ممکن است باعث ایجاد تنش پسماند در هنگام خنک شدن پس از لحیم کاری شود که منجر به ترک خوردگی سرامیکی شود.

 

 

 

مقایسه مواد برای لوله های سرامیکی فیوز ولتاژ بالا و کاربردهای مسکن کنتاکتور

 

95٪ آلومینا و سرامیک استئاتیت هر دو مواد عایق الکتریکی هستند، اما عملکرد آنها در محیط های DC با ولتاژ بالا به طور قابل توجهی متفاوت است.

اموال	95% سرامیک آلومینا	سرامیک استاتیت
محتوای Al2O3	95%	30–45%
قدرت دی الکتریک	>15 کیلو ولت بر میلی متر	8-12 کیلو ولت بر میلی متر
قدرت خمشی	300-400 مگا پاسکال	120-200 مگاپاسکال
هدایت حرارتی	20–25W/m·K	2–4W/m·K
مقاومت در برابر شوک حرارتی	بالا	متوسط
دقت مکانیکی	± 0.01 میلی متر قابل دستیابی است	± 0.03 میلی متر معمولی
برنامه ولتاژ بالا DC	توصیه می شود	محدود
سطح هزینه	بالاتر	پایین تر

 

برای لوله‌های سرامیکی فیوز ولتاژ بالا که بر اساس الزامات IEC 60269 کار می‌کنند، سرامیک آلومینا مقاومت بهتری در برابر گرمای تولید شده از قوس-و شوک مکانیکی ایجاد می‌کند.

سرامیک استاتیت عمدتاً در اجزای عایق{0} ولتاژ پایین که چرخه حرارتی و تنش دی الکتریک کمتر است استفاده می شود.

 

الزامات طراحی لوله سرامیکی فیوز ولتاژ بالا تحت استانداردهای IEC 60269

 

لوله های سرامیکی فیوز انرژی جدید باید حفظ کنند:

قابلیت خاموش کردن قوس

مقاومت در برابر دمای بالا

فاصله عایق پایدار

استحکام مکانیکی در هنگام قطع جریان خطا

 

کاربردهای معمولی عبارتند از:

محافظ فیوز بسته باتری EV

محافظ کابینت باتری ذخیره انرژی

سیستم های حفاظتی اینورتر خورشیدی DC

ماژول های برق شمع شارژ

برای سیستم های حفاظت باتری لیتیومی بیش از جریان پیوسته 500A، طراحی لوله سرامیکی به طور مستقیم بر قابلیت اطمینان وقفه تأثیر می گذارد.

 

درخواست ارزیابی و نقل قول رایگان DFM

 

 

Mo-لایه متالیزاسیون منگنز با قدرت چسبندگی کنترل شده

خود سرامیک نمی تواند مستقیماً با مس، کوار یا فولاد ضد زنگ به دلیل شیمی سطحی متفاوت بین ساختارهای اکسید سرامیکی و فلزات پیوند بخورد.

راه حل استاندارد، متالیزاسیون Mo-Mn است.

فرآیند متالیزاسیون شامل:

پاکسازی و فعال سازی سطوح سرامیکی
Mo-چاپ خمیر Mn
شلیک اتمسفر هیدروژنی با دمای بالا-
آبکاری نیکل
مجموعه لحیم کاری خلاء

 

پارامترهای متالیزاسیون معمولی:

پارامتر فرآیند	محدوده کنترل
ضخامت لایه Mo-Mn	10–30μm
ضخامت آبکاری نیکل	1–5μm
دمای شلیک	1300-1450 درجه
جو	هیدروژن/نیتروژن
قدرت چسبندگی	>20 مگا پاسکال

 

ذرات مولیبدن لنگر مکانیکی درون منافذ سرامیکی ایجاد می کنند، در حالی که اکسید منگنز پیوند شیمیایی بین سرامیک و فلز را بهبود می بخشد.

 

مقایسه لحیم کاری مقاومتی و فرآیند لحیم کاری فعال

فرآیند	محدوده دما	استحکام پیوند	برنامه معمولی
Mo-Mn Metalization + Brazing	780-900 درجه	بالا	کنتاکتورهای HVDC
لحیم کاری فعال (Ag-Cu-Ti)	850-950 درجه	بسیار بالا	مجموعه‌های خلاء{0}}سرامیکی
لحیم کاری مقاومتی	700-850 درجه	متوسط-بالا	اتصال فلزی موضعی

 

برای بدنه های سرامیکی کنتاکتور HVDC، لحیم کاری کوره کنترل شده ترجیح داده می شود زیرا توزیع یکنواخت دما را فراهم می کند و تنش پسماند را کاهش می دهد.

 

کنترل کیفیت اتصالات فلزی و لحیم کاری سرامیکی

بازرسی تولید شامل:

اندازه گیری ابعاد CMM

تست چسبندگی متالیزاسیون

بازرسی اشعه ایکس-برای لحیم کاری حفره ها

آزمایش نشت هلیوم

تست شوک حرارتی

تست عایق ولتاژ بالا

 

معیارهای کیفیت معمولی:

آیتم بازرسی	شرط پذیرش
ابعاد سرامیکی	± 0.01 میلی متر
نرخ خالی لحیم کاری	<5%
نشت هلیوم	<1×10⁻⁹ Pa·m³/s
ولتاژ عایق	>15 کیلو ولت بر میلی متر
چسبندگی متالیزاسیون	>20 مگا پاسکال

 

 

 

کنترل شکل دهی و تف جوشی سرامیک تحت سیستم های تولید ISO 9001

فرآیند تولید شامل:

تهیه پودر سرامیک
پرس خشک یا قالب گیری تزریقی
ماشینکاری سبز
تف جوشی با دمای بالا
سنگ زنی دقیق
متالیزاسیون
لحیم کاری
بازرسی نهایی

 

پارامترهای اصلی تولید:

مرحله تولید	پارامتر کنترل شده
مخلوط کردن پودر	توزیع ذرات
Forming را فشار دهید	یکنواختی چگالی
تف جوشی	1600-1700 درجه
سنگ زنی	تحمل ± 0.01 میلی متر
متالیزاسیون	کنترل ضخامت لایه
بازرسی	CMM + تست الکتریکی

 

کنترل پخت نامناسب می تواند ایجاد کند:

منافذ باز

کاهش قدرت دی الکتریک

ترک های سطحی

قابلیت اطمینان مکانیکی پایین تر

 

الزامات مدیریت کیفیت برای مشتریان خودرو و ذخیره انرژی

برای زنجیره‌های تامین جهانی EV و ESS، تامین‌کنندگان قطعات سرامیکی معمولاً دنبال می‌کنند:

IATF 16949 مدیریت کیفیت خودرو
کنترل ساخت ISO 9001
مدیریت زیست محیطی ISO 14001
ارسال PPAP سطح 3
انطباق با RoHS و REACH

 

اسناد کیفیت تامین کننده معمولاً شامل موارد زیر است:

گواهی مواد
نمودار جریان فرآیند
طرح کنترل
تجزیه و تحلیل FMEA
گزارش بازرسی ابعادی
گزارش تست قابلیت اطمینان

 

 

سیستم های باتری EV با پلت فرم های ولتاژ بالا 400-1000 ولت

قطعات سرامیکی HVDC در موارد زیر استفاده می شود:

کنتاکتورهای اصلی باتری
کنتاکتورهای پیش{0}شارژ
ماژول های شارژ سریع DC
واحدهای قطع باتری

الزامات:

عایق دی الکتریک بالا
جریان نشتی کم
طول عمر سوئیچینگ طولانی
مقاومت در برابر فرسایش قوس الکتریکی

سیستم های حفاظتی اینورتر ESS و PV تحت استانداردهای IEC

سیستم های ذخیره انرژی به اجزای عایق سرامیکی برای موارد زیر نیاز دارند:

محافظ قفسه باتری
جعبه های ترکیب کننده DC
سیستم های تبدیل برق
مجموعه فیوزهای ولتاژ بالا-

 

شرایط عملیاتی معمولی:

برنامه	محدوده ولتاژ	محدوده فعلی
سیستم باتری EV	400-1000 ولت DC	100–600A
قفسه ESS	750-1500 ولت DC	200–1000A
اینورتر PV	600-1500 ولت DC	50–500A

 

انتخاب سازنده بدنه سرامیک آلومینا برای کاربردهای HVDC

 

یک تامین کننده واجد شرایط باید ارائه دهد:

95٪ قابلیت مواد سرامیکی آلومینا
فن‌آوری متالیزاسیون Mn-
فرآیند لحیم کاری خلاء
قابلیت بازرسی CMM
مستندات سطح 3 PPAP
سیستم ردیابی دسته ای

 

برای تیم‌های مهندسی که کنتاکتورهای HVDC، دستگاه‌های حفاظت فیوز و ماژول‌های الکترونیکی قدرت را توسعه می‌دهند، انتخاب مواد سرامیکی باید همراه با طراحی متالیزاسیون، فرآیند آب‌بندی و الزامات قابلیت اطمینان در طول عمر ارزیابی شود.

 

 

 

Q1: مواد سرامیکی توصیه شده برای بدنه های سرامیکی کنتاکتور HVDC چیست؟

سرامیک آلومینا 95% توصیه می شود زیرا استحکام دی الکتریک بالای 15 کیلو ولت بر میلی متر، استحکام خمشی بالای 300 مگاپاسکال و عملکرد پایدار در چرخه حرارتی را ارائه می دهد.

 

Q2: آیا تولید کننده بدنه سرامیک آلومینا می تواند اسناد PPAP سطح 3 را ارائه دهد؟

بله تامین کنندگان خودرو می توانند بسته های سطح 3 PPAP شامل PFMEA، طرح کنترل، گزارش های ابعادی، گواهی مواد و سوابق تست قابلیت اطمینان را ارائه دهند.

 

Q3: چگونه ضخامت متالیزاسیون Mo{1}}Mn کنترل می شودلوله های فیوز سرامیکی?

Mo{0}}ضخامت متالیزاسیون منگنز معمولاً با استفاده از پارامترهای چاپ روی صفحه، شرایط پخت و آزمایش چسبندگی پس از متالیزاسیون در 10 تا 30 میکرومتر کنترل می‌شود.