Керамични тела за HVDC контактори и нови енергийни предпазители: свойства на материала и метализация

Керамичните тела на HVDC контактори и керамичните тръби с предпазители за високо напрежение изискват електрическа изолация над 15 kV/mm, стабилна механична якост при термични цикли и надеждно свързване с метал-керамика по време на дълго-трайно прекъсване на постоянен ток. 95% алуминиева керамика е широко избрана, тъй като нейната диелектрична якост, топлопроводимост и вакуумна съвместимост отговарят на изискванията на батерийните системи за EV, ESS защитни блокове и силова електроника за високо напрежение.

 

За HVDC приложения ефективността на керамиката зависи не само от състава на материала, но и от дебелината на метализацията, контрола на адхезията на Mo-Mn, температурния профил на спояване и точността на размерите. Квалифициран производител на керамично тяло трябва да контролира цялата технологична верига от формоването на керамика до инспекцията на CMM и теста за течове на хелий.

 

 

 

Изисквания за ефективност на керамичния корпус на HVDC контактора при системи 900V–1500V DC

 

За разлика от превключващите устройства за променлив ток, HVDC контакторите са изправени пред непрекъсната енергия на дъгата по време на прекъсване на тока, тъй като постоянният ток няма естествена нулева{0}}точка на пресичане. Керамичният корпус осигурява електрическа изолация и поддържа вътрешни вакуумни или газо{2}}уплътнителни условия.

 

Керамичното тяло трябва да издържа на:

Изисквания за изолация на постоянно напрежение от 450V до 1500V батерийни платформи

Повтарящи се цикли на прекъсване на дъгата над 100 000 операции

Термичен шок, причинен от бързи температурни промени

Механично напрежение от метални уплътнителни конструкции

Изисквания за изтичане на вакуум под 1×10⁻⁹ Pa·m³/s

 

Типични инженерни изисквания за HVDC керамични компоненти:

Параметър	Типично изискване	Метод на изпитване
Керамичен материал	95% алуминиев оксид (Al₂O₃)	Анализ на материалния състав
Диелектрична якост	>15kV/mm	IEC 60243
Обемно съпротивление	>10¹⁴ Ω·cm	IEC 60093
Топлопроводимост	20–25 W/m·K	ASTM E1461
Якост на огъване	>300 MPa	ISO 14704
Работна температура	-55 градуса до +200 градуса	Тест за термичен цикъл
Толерантност към размерите	±0,01 мм	Инспекция на CMM

 

95% алуминиева керамика съдържа приблизително 95% алуминиев оксид с контролирани добавки от стъклена фаза. Микроструктурата осигурява по-висока механична якост в сравнение с много конвенционални изолационни материали, като същевременно поддържа стабилни електрически свойства при повишени температури.

 

Рискове от повреда на керамичната изолация в HVDC контактори и предпазители

 

Често срещаните повреди на керамичното тяло са свързани с:

Вътрешни микро{0}}пукнатини, причинени от неправилна температура на синтероване

Ниска якост на сцепление при метализация

Празнини за спояване между керамични и медни/метални клеми

Несъответствие на топлинното разширение между керамични и метални компоненти

Коефициентът на топлинно разширение трябва да бъде внимателно съобразен:

 

Материал	Коефициент на термично разширение (×10⁻⁶/K)	Разглеждане на кандидатурата
95% алуминиева керамика	6.5–7.5	Подходящ за Mo-Mn метализация и спояване
Мед C1100	16.5	Изисква контролирано напрежение при спояване
Коварска сплав	5.0–5.5	Обичайна уплътнителна сплав за керамични възли
Неръждаема стомана 304	17.2	Изисква дизайн за компенсация на разширението

 

Несъответствие, надвишаващо проектирания диапазон, може да генерира остатъчно напрежение по време на охлаждане след запояване, което води до напукване на керамиката.

 

 

 

Сравнение на материалите за приложения с керамични тръби и корпуси на контактори за високо напрежение

 

95% двуалуминиев оксид и стеатитна керамика са електроизолационни материали, но техните характеристики се различават значително в среда с постоянен ток с високо напрежение.

Собственост	95% алуминиева керамика	Стеатитова керамика
Съдържание на Al2O3	95%	30–45%
Диелектрична якост	>15kV/mm	8–12kV/mm
Якост на огъване	300–400MPa	120–200MPa
Топлопроводимост	20–25W/m·K	2–4W/m·K
Устойчивост на термичен удар	високо	Среден
Механична прецизност	±0,01 мм постижими	±0,03 mm типично
DC приложение за високо напрежение	Препоръчва се	Ограничен
Ниво на разходите	По-високо	По-ниска

 

За -керамичните тръби с предпазител за високо напрежение, работещи съгласно изискванията на IEC 60269, керамиката от алуминиев оксид осигурява по-добра устойчивост срещу-генерирана от дъга топлина и механичен удар.

Стеатитната керамика се използва главно в изолационни компоненти с ниско{0}}напрежение, където термичните цикли и диелектричното напрежение са по-ниски.

 

Изисквания за проектиране на керамична тръба за предпазител за високо напрежение съгласно стандартите IEC 60269

 

Новите керамични тръби с предпазители за енергия трябва да поддържат:

Възможност за гасене на дъга

Устойчивост на висока температура

Стабилно изолационно разстояние

Механична якост при прекъсване на тока на повреда

 

Типичните приложения включват:

Защита с предпазител на EV батерия

Защита на шкафа за батерии за съхранение на енергия

Соларни инверторни DC защитни системи

Зареждане на купчини захранващи модули

За системи за защита на литиеви батерии, надвишаващи 500A непрекъснат ток, дизайнът на керамичната тръба влияе пряко върху надеждността на прекъсване.

 

Поискайте безплатна DFM оценка и оферта

 

 

Mo-Mn метализиращ слой с контролирана якост на адхезия

Керамиката сама по себе си не може директно да се свърже с мед, Kovar или неръждаема стомана поради различната химия на повърхността между структурите на керамичния оксид и металите.

Стандартното решение е Mo-Mn метализация.

Процесът на метализация включва:

Почистване и активиране на керамични повърхности
Печат с паста Mo-Mn
Изпичане във-високотемпературна водородна атмосфера
Никелиране
Възел за вакуумно спояване

 

Типични параметри на метализация:

Параметър на процеса	Контролен диапазон
Mo-Mn дебелина на слоя	10–30μm
Дебелина на никелиране	1–5μm
Температура на изпичане	1300-1450 градуса
атмосфера	Водород/Азот
Сила на адхезия	>20MPa

 

Частиците молибден създават механично закрепване в керамичните пори, докато мангановият оксид подобрява химическото свързване между керамиката и метала.

 

Сравнение на процесите на устойчиво спояване и активно спояване

Процес	Температурен диапазон	Сила на свързване	Типично приложение
Mo-Mn метализиране + запояване	780-900 градуса	високо	HVDC контактори
Активно спояване (Ag-Cu-Ti)	850-950 градуса	Много високо	Керамични{0}}метални вакуумни възли
Устойчиво спояване	700-850 градуса	Средно-Високо	Локализирано свързване на метали

 

За HVDC контакторни керамични тела се предпочита контролирано спояване в пещ, защото осигурява равномерно разпределение на температурата и намалява остатъчното напрежение.

 

Качествен контрол на керамична метализация и спояване на съединения

Проверката на производството включва:

Измерване на размерите на CMM

Тест за адхезия на метализация

Р-рентгенова проверка за кухини при спояване

Тест за течове с хелий

Тестване на термичен шок

Изпитване на изолация с високо напрежение

 

Типични критерии за качество:

Елемент за проверка	Изискване за приемане
Керамично измерение	±0,01 мм
Степен на кухини при запояване	<5%
Изтичане на хелий	<1×10⁻⁹ Pa·m³/s
Изолационно напрежение	>15kV/mm
Метализираща адхезия	>20MPa

 

 

 

Контрол на формоването и синтероването на керамика съгласно ISO 9001 производствени системи

Производственият процес включва:

Приготвяне на керамичен прах
Сухо пресоване или леене под налягане
Зелена машинна обработка
Високотемпературно синтероване
Прецизно шлайфане
Метализиране
Запояване
Окончателна проверка

 

Основни производствени параметри:

Етап на производство	Контролиран параметър
Смесване на прах	Разпределение на частиците
Преса Формиране	Еднородност на плътността
Агломериране	1600-1700 градуса
Смилане	±0,01 мм толеранс
Метализиране	Контрол на дебелината на слоя
инспекция	CMM + електрически тестове

 

Неправилният контрол на синтероването може да генерира:

Отворени пори

Намалена диелектрична якост

Повърхностни пукнатини

По-ниска механична надеждност

 

Изисквания за управление на качеството за автомобили и клиенти за съхранение на енергия

За глобалните вериги за доставка на EV и ESS доставчиците на керамични компоненти обикновено следват:

IATF 16949 управление на качеството на автомобилите
ISO 9001 производствен контрол
ISO 14001 управление на околната среда
Подаване на PPAP ниво 3
RoHS и REACH съответствие

 

Документацията за качество на доставчика обикновено включва:

Сертификат за материал
Диаграма на процеса
Контролен план
FMEA анализ
Доклад за проверка на размерите
Доклад от теста за надеждност

 

 

EV батерийни системи с 400V–1000V платформи за високо напрежение

HVDC керамичните компоненти се използват в:

Основни акумулаторни контактори
-Контактори за предварително зареждане
DC модули за бързо зареждане
Блокове за изключване на акумулатора

Изисквания:

Висока диелектрична изолация
Нисък ток на утечка
Дълъг живот на превключването
Устойчивост на дъгова ерозия

ESS и PV инверторни защитни системи по IEC стандарти

Системите за съхранение на енергия изискват керамични изолационни компоненти за:

Защита на багажника
DC комбиниращи кутии
Системи за преобразуване на мощност
Високоволтови предпазители-

 

Типични работни условия:

Приложение	Обхват на напрежението	Текущ диапазон
EV батерийна система	400–1000V DC	100–600A
ESS Rack	750–1500V DC	200–1000A
PV инвертор	600–1500V DC	50–500A

 

Избор на производител на алуминиев керамичен корпус за HVDC приложения

 

Квалифициран доставчик трябва да осигури:

Възможност за 95% алуминиев керамичен материал
Mo-Mn технология за метализиране
Процес на вакуумно спояване
Възможност за проверка на CMM
Документация за ниво 3 на PPAP
Система за проследяване на партиди

 

За инженерните екипи, разработващи HVDC контактори, устройства за защита от предпазители и силови електронни модули, изборът на керамичен материал трябва да бъде оценен заедно с дизайна на метализацията, процеса на запечатване и изискванията за надеждност през целия живот.

 

 

 

Q1: Какъв е препоръчителният керамичен материал за HVDC керамични тела на контактори?

Препоръчва се керамика от 95% алуминиев оксид, тъй като осигурява диелектрична якост над 15kV/mm, якост на огъване над 300MPa и стабилна производителност при термични цикли.

 

Въпрос 2: Може ли производител на алуминиев керамичен корпус да предостави документи за PPAP ниво 3?

да Автомобилните доставчици могат да осигурят пакети от ниво 3 на PPAP, включително PFMEA, контролен план, отчети за размери, сертификати за материали и записи от тестове за надеждност.

 

В3: Как се контролира дебелината на метализация на Mo-Mnкерамични предпазни тръби?

Дебелината на метализация на Mo-Mn обикновено се контролира в рамките на 10–30 μm, като се използват параметри за ситопечат, условия на изпичане и тест за адхезия след метализация.