Керамічні корпуси для контакторів HVDC і запобіжників нової енергії: властивості матеріалів і металізація

Керамічні корпуси контакторів HVDC і керамічні трубки високовольтних запобіжників вимагають електричної ізоляції понад 15 кВ/мм, стабільної механічної міцності під час термоциклування та надійного метало-керамічного з’єднання під час тривалого-переривання постійного струму. 95% кераміки з оксиду алюмінію широко вибирається, оскільки її електрична міцність, теплопровідність і вакуумна сумісність відповідають вимогам акумуляторних систем електромобілів, Блоки захисту ESS і силова електроніка високої напруги.

 

Для застосувань HVDC ефективність кераміки залежить не лише від складу матеріалу, але й від товщини металізації, контролю адгезії Mo-Mn, профілю температури пайки та точності розмірів. Кваліфікований виробник керамічного корпусу повинен контролювати повний технологічний ланцюжок від формування кераміки до перевірки ШМ і тестування на витік гелієм.

 

 

 

Вимоги до продуктивності керамічного корпусу контактора HVDC у системах 900–1500 В постійного струму

 

На відміну від комутаційних пристроїв змінного струму, контактори HVDC стикаються з постійною енергією дуги під час переривання струму, оскільки постійний струм не має природної нульової{0}}точки перетину. Керамічний корпус забезпечує електричну ізоляцію та підтримує внутрішні вакуумні або газо{2}}непроникні умови ущільнення.

 

Керамічний корпус повинен витримувати:

Вимоги до ізоляції напруги постійного струму від платформ батарей від 450 В до 1500 В

Повторні цикли розриву дуги понад 100 000 операцій

Термічний шок, викликаний різкими змінами температури

Механічні навантаження від металевих ущільнювальних конструкцій

Вимоги до витоку вакууму нижче 1×10⁻⁹ Па·м³/с

 

Типові технічні вимоги до керамічних компонентів HVDC:

Параметр	Типова вимога	Метод тестування
Керамічний матеріал	95% глинозему (Al₂O₃)	Аналіз складу матеріалу
Діелектрична міцність	>15кВ/мм	IEC 60243
Об'ємний питомий опір	>10¹⁴ Ω·см	IEC 60093
Теплопровідність	20–25 W/m·K	ASTM E1461
Міцність на згин	>300 МПа	ISO 14704
Робоча температура	-55 градусів до +200 градусів	Термічний циклічний тест
Допуск на розміри	±0,01 мм	Інспекція ШМ

 

Кераміка з 95% оксиду алюмінію містить приблизно 95% оксиду алюмінію з контрольованими добавками склофази. Мікроструктура забезпечує вищу механічну міцність, ніж багато звичайних ізоляційних матеріалів, зберігаючи при цьому стабільні електричні властивості при підвищених температурах.

 

Ризики пошкодження керамічної ізоляції в контакторах HVDC і запобіжниках

 

Поширені несправності керамічного корпусу пов’язані з:

Внутрішні мікро{0}}тріщини, спричинені неправильною температурою спікання

Низька адгезія металізації

Пустоти між керамічними та мідними/металевими клемами

Невідповідність теплового розширення між керамічними та металевими компонентами

Коефіцієнт теплового розширення повинен бути ретельно підібраний:

 

матеріал	Коефіцієнт теплового розширення (×10⁻⁶/K)	Розгляд заявки
95% глинозем кераміка	6.5–7.5	Підходить для металізації та пайки Mo-Mn
Мідь С1100	16.5	Потрібна контрольована напруга при пайці
Сплав Ковар	5.0–5.5	Загальний ущільнювальний сплав для керамічних вузлів
Нержавіюча сталь 304	17.2	Потрібна конструкція компенсації розширення

 

Невідповідність, що перевищує проектний діапазон, може спричинити залишкову напругу під час охолодження після пайки, що призведе до розтріскування кераміки.

 

 

 

Порівняння матеріалів для керамічної трубки високовольтного запобіжника та корпусу контактора

 

95% оксид алюмінію та стеатитова кераміка є електроізоляційними матеріалами, але їхні характеристики значно відрізняються в середовищах постійного струму під високою напругою.

Власність	95% глинозем кераміка	Стеатитова кераміка
Вміст Al₂O₃	95%	30–45%
Діелектрична міцність	>15кВ/мм	8–12 кВ/мм
Міцність на згин	300–400 МПа	120–200 МПа
Теплопровідність	20–25W/m·K	2–4W/m·K
Стійкість до термічного удару	Високий	Середній
Механічна точність	±0,01 мм досяжно	±0,03 мм типовий
Високовольтне застосування постійного струму	Рекомендовано	Обмежений
Рівень вартості	Вища	Нижній

 

Керамічні -керамічні трубки з високовольтними запобіжниками, які працюють відповідно до вимог IEC 60269, мають кращу стійкість до тепла,-від дуги та механічних ударів.

Стеатитова кераміка в основному використовується в -компонентах ізоляції низької напруги, де температурний цикл і діелектрична напруга нижчі.

 

Вимоги до конструкції керамічної трубки високовольтного запобіжника відповідно до стандартів IEC 60269

 

Нові керамічні трубки з запобіжниками повинні підтримувати:

Здатність гасити дугу

Стійкість до високих температур

Стабільна ізоляційна відстань

Механічна міцність при перериванні струму пошкодження

 

Типові програми включають:

Захист акумуляторної батареї EV запобіжником

Захист акумуляторної шафи накопичувача енергії

Сонячні інверторні системи захисту постійного струму

Силові модулі зарядної палі

Для систем захисту літієвої батареї з безперервним струмом понад 500 А конструкція керамічної трубки безпосередньо впливає на надійність відключення.

 

Запит на безкоштовну оцінку та пропозицію DFM

 

 

Металізований шар Mo-Mn із контрольованою міцністю зчеплення

Кераміка сама по собі не може безпосередньо зв’язуватися з міддю, коваром або нержавіючої сталлю через різний хімічний склад поверхні між структурами керамічного оксиду та металами.

Стандартним рішенням є металізація Mo-Mn.

Процес металізації включає:

Очищення та активація керамічної поверхні
Друк пастою Mo-Mn
Випал -у атмосфері водню з високою температурою
Нікелювання
Вузол для вакуумної пайки

 

Типові параметри металізації:

Параметр процесу	Діапазон контролю
Mo-Mn Товщина шару	10–30μm
Товщина нікелю	1–5μm
Температура випалу	1300-1450 градусів
атмосфера	Водень/Азот
Міцність зчеплення	>20 МПа

 

Частинки молібдену створюють механічне закріплення в порах кераміки, а оксид марганцю покращує хімічний зв’язок між керамікою та металом.

 

Порівняння процесів резистивної пайки та активної пайки

процес	Діапазон температур	Міцність зв'язку	Типове застосування
Mo-Mn металізація + пайка	780-900 градусів	Високий	Контактори HVDC
Активна пайка (Ag-Cu-Ti)	850-950 градусів	Дуже висока	Керамічні-металічні вакуумні вузли
Резистивна пайка	700-850 градусів	Середній-Високий	Локалізовані з'єднання металу

 

Для керамічних корпусів контакторів HVDC контрольована пайка в печі є кращою, оскільки вона забезпечує рівномірний розподіл температури та зменшує залишкову напругу.

 

Контроль якості керамічної металізації та паяння з'єднань

Контроль виробництва включає:

Вимірювання розмірів ШМ

Випробування на адгезію металізації

Рентгенівська перевірка на порожнечі під пайку

Тест на герметичність гелієм

Випробування на термічний удар

Випробування ізоляції високою напругою

 

Типові критерії якості:

Пункт перевірки	Вимоги до прийняття
Керамічний вимір	±0,01 мм
Швидкість втрати пайки	<5%
Витік гелію	<1×10⁻⁹ Pa·m³/s
Напруга ізоляції	>15кВ/мм
Адгезія металізації	>20 МПа

 

 

 

Контроль формування та спікання кераміки відповідно до виробничих систем ISO 9001

Процес виготовлення включає:

Приготування керамічного порошку
Сухе пресування або лиття під тиском
Зелена механічна обробка
Високотемпературне спікання
Точне шліфування
Металізація
Пайка
Остаточна перевірка

 

Основні параметри виробництва:

Стадія виготовлення	Контрольований параметр
Змішування порошку	Розподіл частинок
Прес Формування	Рівномірність щільності
Спікання	1600-1700 градусів
Шліфування	Допуск ±0,01 мм
Металізація	Контроль товщини шару
Огляд	ШМ + електричні випробування

 

Неналежний контроль спікання може спричинити:

Відкриті пори

Знижена діелектрична міцність

Поверхневі тріщини

Знижена механічна надійність

 

Вимоги до управління якістю для споживачів автомобілів і систем зберігання енергії

Для глобальних ланцюгів постачання електромобілів та електромобілів постачальники керамічних компонентів зазвичай дотримуються:

IATF 16949 управління якістю автомобіля
Контроль виробництва ISO 9001
ISO 14001 екологічний менеджмент
Подання PPAP рівня 3
Відповідність RoHS і REACH

 

Документація постачальника про якість зазвичай включає:

Сертифікат на матеріал
Схема процесу
План контролю
Аналіз FMEA
Акт перевірки розмірів
Протокол перевірки надійності

 

 

Акумуляторні системи електромобілів із високовольтними платформами 400–1000 В

Керамічні компоненти HVDC використовуються в:

Головні контактори акумулятора
Контактори попередньої зарядки-
Модулі швидкої зарядки постійного струму
Блоки відключення акумулятора

Вимоги:

Висока діелектрична ізоляція
Низький струм витоку
Тривалий термін служби перемикання
Стійкість до дугової ерозії

Системи захисту інверторів ESS та PV відповідно до стандартів IEC

Системи накопичення енергії потребують керамічних ізоляційних компонентів для:

Захист акумуляторної стійки
Суматорні коробки постійного струму
Системи перетворення електроенергії
Високовольтні запобіжники-

 

Типові умови експлуатації:

застосування	Діапазон напруги	Діапазон струму
Система електричних акумуляторів	400–1000 В постійного струму	100–600A
Стійка ESS	750–1500 В постійного струму	200–1000A
PV інвертор	600–1500 В постійного струму	50–500A

 

Вибір виробника керамічного корпусу з оксиду алюмінію для систем HVDC

 

Кваліфікований постачальник повинен забезпечити:

95% глиноземний керамічний матеріал
Технологія металізації Mo-Mn
Процес вакуумної пайки
Можливість перевірки ШМ
Документація PPAP рівня 3
Система відстеження партії

 

Для інженерних груп, які розробляють контактори HVDC, пристрої захисту від запобіжників і силові електронні модулі, вибір керамічного матеріалу необхідно оцінювати разом з дизайном металізації, процесом ущільнення та вимогами до надійності протягом усього терміну служби.

 

 

 

Q1: який рекомендований керамічний матеріал для керамічних корпусів контакторів HVDC?

Кераміка з 95% оксиду алюмінію рекомендована, оскільки вона забезпечує діелектричну міцність понад 15 кВ/мм, міцність на вигин понад 300 МПа та стабільну роботу під час термічного циклу.

 

Q2: Чи може виробник глиноземного керамічного корпусу надати документи PPAP рівня 3?

так Постачальники автомобільної промисловості можуть надати пакети PPAP рівня 3, включаючи PFMEA, план контролю, звіти про розміри, сертифікати матеріалів і записи перевірок надійності.

 

Q3: Як контролюється товщина металізації Mo-Mnкерамічні плавкі трубки?

Товщина металізації Mo-Mn зазвичай контролюється в межах 10–30 мкм за допомогою параметрів трафаретного друку, умов випалу та тестування на адгезію після металізації.