ตัวเซรามิกสำหรับคอนแทคเตอร์ HVDC และฟิวส์พลังงานใหม่: คุณสมบัติของวัสดุและการทำให้เป็นโลหะ

ตัวเซรามิกของคอนแทคเตอร์ HVDC และหลอดเซรามิกฟิวส์แรงดันสูงจำเป็นต้องมีฉนวนไฟฟ้าที่สูงกว่า 15kV/มม. ความแข็งแรงเชิงกลที่มั่นคงภายใต้การหมุนเวียนของความร้อน และโลหะที่เชื่อถือได้-การยึดเกาะของเซรามิกระหว่าง-การหยุดชะงักของกระแสตรงในระยะยาว. 95% อลูมินาเซรามิกได้รับการคัดเลือกอย่างกว้างขวาง เนื่องจากความเป็นฉนวน การนำความร้อน และความเข้ากันได้ของสุญญากาศ ตรงตามข้อกำหนดของระบบแบตเตอรี่ EV, ยูนิตป้องกัน ESS และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าแรงสูง

 

สำหรับการใช้งาน HVDC ประสิทธิภาพของเซรามิกไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของวัสดุเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับความหนาของการเคลือบโลหะ การควบคุมการยึดเกาะของ Mo{{0}Mn โปรไฟล์อุณหภูมิในการบัดกรี และความแม่นยำของขนาดด้วย ผู้ผลิตตัวเรือนเซรามิกที่ผ่านการรับรองจะต้องควบคุมห่วงโซ่กระบวนการทั้งหมด ตั้งแต่การขึ้นรูปเซรามิกไปจนถึงการตรวจสอบ CMM และการทดสอบการรั่วของฮีเลียม

 

 

 

ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพตัวถังเซรามิกของคอนแทค HVDC ภายใต้ระบบ DC 900V–1500V

 

คอนแทคเตอร์ HVDC ต่างจากอุปกรณ์สวิตชิ่ง AC ตรงที่ต้องเผชิญกับพลังงานอาร์คอย่างต่อเนื่องในระหว่างการหยุดชะงักของกระแสไฟ เนื่องจาก DC ไม่มีจุดข้าม-ตามธรรมชาติ ตัวเรือนเซรามิกให้การแยกทางไฟฟ้าและรักษาสภาวะการซีลสุญญากาศหรือก๊าซภายใน-ให้แน่นหนา

 

ตัวเรือนเซรามิกจะต้องทนทานต่อ:

ข้อกำหนดฉนวนแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงตั้งแต่ 450V ถึง 1500V แพลตฟอร์มแบตเตอรี่

รอบการหยุดชะงักของส่วนโค้งซ้ำแล้วซ้ำอีกมากกว่า 100,000 การดำเนินการ

การช็อกจากความร้อนที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว

ความเค้นทางกลจากโครงสร้างการซีลโลหะ

ข้อกำหนดการรั่วไหลของสุญญากาศต่ำกว่า 1×10⁻⁹ Pa·m³/s

 

ข้อกำหนดทางวิศวกรรมทั่วไปสำหรับส่วนประกอบเซรามิก HVDC:

พารามิเตอร์	ข้อกำหนดทั่วไป	วิธีการทดสอบ
วัสดุเซรามิก	อลูมินา 95% (Al₂O₃)	การวิเคราะห์องค์ประกอบของวัสดุ
ความเป็นฉนวน	>15kV/มม	ไออีซี 60243
ความต้านทานต่อปริมาตร	>10¹⁴ Ω·ซม	ไออีซี 60093
การนำความร้อน	20–25 W/m·K	มาตรฐาน ASTM E1461
ความแข็งแรงของแรงดัดงอ	>300 เมกะปาสคาล	ISO14704
อุณหภูมิในการทำงาน	-55 องศาถึง +200 องศา	การทดสอบการปั่นจักรยานด้วยความร้อน
ความอดทนมิติ	±0.01มม	การตรวจสอบซีเอ็มเอ็ม

 

อลูมินาเซรามิก 95% ประกอบด้วยอะลูมิเนียมออกไซด์ประมาณ 95% พร้อมสารเติมแต่งเฟสแก้วควบคุม โครงสร้างจุลภาคมีความแข็งแรงเชิงกลสูงกว่าวัสดุฉนวนทั่วไปหลายชนิด ในขณะที่ยังคงคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เสถียรที่อุณหภูมิสูง

 

ความเสี่ยงต่อความล้มเหลวของฉนวนเซรามิกในคอนแทคเตอร์ HVDC และชุดฟิวส์

 

ความล้มเหลวของตัวเซรามิกทั่วไปเกี่ยวข้องกับ:

รอยแตกขนาดเล็กภายใน-ที่เกิดจากอุณหภูมิการเผาผนึกที่ไม่เหมาะสม

ความแข็งแรงในการยึดเกาะของโลหะต่ำ

ช่องว่างประสานระหว่างขั้วเซรามิกและทองแดง/โลหะ

การขยายตัวทางความร้อนไม่ตรงกันระหว่างส่วนประกอบเซรามิกและโลหะ

จะต้องจับคู่ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนอย่างระมัดระวัง:

 

วัสดุ	ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (×10⁻⁶/K)	การพิจารณาใบสมัคร
อลูมินาเซรามิก 95%	6.5–7.5	เหมาะสำหรับการเคลือบโลหะและการบัดกรีแข็ง Mo-Mn
ทองแดง C1100	16.5	ต้องมีการควบคุมความเครียดในการบัดกรี
โควาร์อัลลอยด์	5.0–5.5	โลหะผสมปิดผนึกทั่วไปสำหรับการประกอบเซรามิก
สแตนเลส 304	17.2	ต้องมีการออกแบบการชดเชยการขยาย

 

ความไม่ตรงกันที่เกินช่วงที่ออกแบบไว้อาจทำให้เกิดความเค้นตกค้างระหว่างการทำความเย็นหลังจากการบัดกรี นำไปสู่การแตกร้าวของเซรามิก

 

 

 

การเปรียบเทียบวัสดุสำหรับหลอดเซรามิกฟิวส์ไฟฟ้าแรงสูงและการใช้งานตัวเรือนคอนแทคเตอร์

 

อลูมินาและเซรามิกสตีไทต์ 95% เป็นทั้งวัสดุฉนวนไฟฟ้า แต่ประสิทธิภาพจะแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญในสภาพแวดล้อม DC ไฟฟ้าแรงสูง

คุณสมบัติ	อลูมินาเซรามิก 95%	สเตอไทต์เซรามิค
เนื้อหาอัล₂O₃	95%	30–45%
ความเป็นฉนวน	>15kV/มม	8–12kV/มม
ความแข็งแรงของแรงดัดงอ	300–400 เมกะปาสคาล	120–200เมกะปาสคาล
การนำความร้อน	20–25W/m·K	2–4W/m·K
ความต้านทานการกระแทกด้วยความร้อน	สูง	ปานกลาง
ความแม่นยำทางกล	±0.01 มม. ทำได้	โดยทั่วไป ±0.03 มม
การประยุกต์ใช้ DC ไฟฟ้าแรงสูง	ที่แนะนำ	จำกัด
ระดับต้นทุน	สูงกว่า	ต่ำกว่า

 

สำหรับหลอดเซรามิกฟิวส์แรงดันสูง-ที่ทำงานภายใต้ข้อกำหนด IEC 60269 อลูมินาเซรามิกให้ความต้านทานต่อความร้อนที่เกิดจากส่วนโค้ง-และการกระแทกทางกลได้ดีกว่า

เซรามิกสเตอไทต์ส่วนใหญ่จะใช้ในส่วนประกอบฉนวนแรงดันไฟฟ้าต่ำ-ซึ่งมีการหมุนเวียนความร้อนและความเค้นไดอิเล็กทริกต่ำกว่า

 

ข้อกำหนดการออกแบบหลอดเซรามิกฟิวส์ไฟฟ้าแรงสูงภายใต้มาตรฐาน IEC 60269

 

หลอดเซรามิกฟิวส์พลังงานใหม่จะต้องรักษา:

ความสามารถในการดับไฟอาร์ค

ทนต่ออุณหภูมิสูง

ระยะฉนวนที่มั่นคง

ความแข็งแรงทางกลระหว่างกระแสไฟฟ้าขัดข้อง

 

การใช้งานทั่วไป ได้แก่:

การป้องกันฟิวส์แบตเตอรี่ EV

การป้องกันตู้แบตเตอรี่เก็บพลังงาน

ระบบป้องกันไฟฟ้ากระแสตรงอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์

การชาร์จโมดูลพลังงานกอง

สำหรับระบบป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีกระแสไฟฟ้าต่อเนื่องเกิน 500A การออกแบบท่อเซรามิกส่งผลโดยตรงต่อความน่าเชื่อถือของการหยุดชะงัก

 

ขอการประเมินและใบเสนอราคา DFM ฟรี

 

 

Mo-Mn ชั้นโลหะที่มีความแข็งแรงในการยึดเกาะที่ควบคุมได้

เซรามิกไม่สามารถยึดติดกับทองแดง โควาร์ หรือสเตนเลสได้โดยตรง เนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีของพื้นผิวที่แตกต่างกันระหว่างโครงสร้างเซรามิกออกไซด์และโลหะ

วิธีแก้ปัญหามาตรฐานคือการทำให้เป็นโลหะ Mo-Mn

กระบวนการทำให้เป็นโลหะประกอบด้วย:

การทำความสะอาดและเปิดใช้งานพื้นผิวเซรามิก
Mo-Mn การพิมพ์แบบวาง
การเผาไหม้บรรยากาศไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูง-
ชุบนิกเกิล
การประกอบการประสานสุญญากาศ

 

พารามิเตอร์การทำให้เป็นโลหะโดยทั่วไป:

พารามิเตอร์กระบวนการ	ช่วงการควบคุม
Mo-ความหนาของชั้น Mn	10–30μm
ความหนาของการชุบนิกเกิล	1–5μm
อุณหภูมิการยิง	1300–1450 องศา
บรรยากาศ	ไฮโดรเจน/ไนโตรเจน
แรงยึดเกาะ	>20เมกะปาสคาล

 

อนุภาคโมลิบดีนัมสร้างการยึดเชิงกลภายในรูพรุนเซรามิก ในขณะที่แมงกานีสออกไซด์ช่วยเพิ่มพันธะเคมีระหว่างเซรามิกและโลหะ

 

การเปรียบเทียบกระบวนการประสานแบบต้านทานและกระบวนการประสานแบบแอคทีฟ

กระบวนการ	ช่วงอุณหภูมิ	ความแข็งแกร่งของพันธบัตร	การใช้งานทั่วไป
Mo-Mn การทำให้เป็นโลหะ + การประสาน	780–900 องศา	สูง	คอนแทคเตอร์ HVDC
การประสานแบบแอคทีฟ (Ag-Cu-Ti)	850–950 องศา	สูงมาก	เซรามิก-ส่วนประกอบสูญญากาศโลหะ
การประสานความต้านทาน	700–850 องศา	ปานกลาง-สูง	การเชื่อมโลหะที่มีการแปล

 

สำหรับตัวเซรามิกคอนแทคเตอร์ HVDC แนะนำให้ใช้การประสานเตาหลอมแบบควบคุม เนื่องจากมีการกระจายอุณหภูมิที่สม่ำเสมอและลดความเค้นตกค้าง

 

การควบคุมคุณภาพของการเคลือบโลหะด้วยเซรามิกและข้อต่อการประสาน

การตรวจสอบการผลิตประกอบด้วย:

การวัดขนาด CMM

การทดสอบการยึดเกาะของโลหะ

การตรวจสอบด้วยรังสีเอ็กซ์-สำหรับช่องว่างจากการบัดกรีแข็ง

การทดสอบการรั่วของฮีเลียม

การทดสอบการกระแทกด้วยความร้อน

การทดสอบฉนวนไฟฟ้าแรงสูง

 

เกณฑ์คุณภาพโดยทั่วไป:

รายการตรวจสอบ	ข้อกำหนดการยอมรับ
มิติเซรามิก	±0.01มม
อัตราโมฆะการประสาน	<5%
การรั่วไหลของฮีเลียม	<1×10⁻⁹ Pa·m³/s
แรงดันไฟฟ้าของฉนวน	>15kV/มม
การยึดเกาะของโลหะ	>20เมกะปาสคาล

 

 

 

การควบคุมการขึ้นรูปและการเผาเซรามิกภายใต้ระบบการผลิต ISO 9001

กระบวนการผลิตประกอบด้วย:

การเตรียมผงเซรามิก
การอัดแห้งหรือการฉีดขึ้นรูป
เครื่องจักรสีเขียว
การเผาผนึกที่อุณหภูมิสูง
การบดที่แม่นยำ
การทำให้เป็นโลหะ
การประสาน
การตรวจสอบขั้นสุดท้าย

 

พารามิเตอร์การผลิตที่สำคัญ:

ขั้นตอนการผลิต	พารามิเตอร์ควบคุม
การผสมผง	การกระจายตัวของอนุภาค
กดขึ้นรูป	ความสม่ำเสมอของความหนาแน่น
การเผาผนึก	1600–1700 องศา
การบด	ความอดทน ± 0.01 มม
การทำให้เป็นโลหะ	การควบคุมความหนาของชั้น
การตรวจสอบ	CMM + การทดสอบทางไฟฟ้า

 

การควบคุมการเผาผนึกที่ไม่เหมาะสมสามารถสร้าง:

เปิดรูขุมขน

ความเป็นฉนวนลดลง

รอยแตกบนพื้นผิว

ความน่าเชื่อถือทางกลลดลง

 

ข้อกำหนดการจัดการคุณภาพสำหรับลูกค้าด้านยานยนต์และการจัดเก็บพลังงาน

สำหรับห่วงโซ่อุปทาน EV และ ESS ทั่วโลก ซัพพลายเออร์ชิ้นส่วนเซรามิกมักปฏิบัติตาม:

การจัดการคุณภาพยานยนต์ IATF 16949
การควบคุมการผลิต ISO 9001
การจัดการสิ่งแวดล้อม ISO 14001
การส่ง PPAP ระดับ 3
การปฏิบัติตาม RoHS และ REACH

 

โดยทั่วไปเอกสารด้านคุณภาพของซัพพลายเออร์จะประกอบด้วย:

ใบรับรองวัสดุ
แผนภูมิการไหลของกระบวนการ
แผนการควบคุม
การวิเคราะห์ FMEA
รายงานการตรวจสอบมิติ
รายงานการทดสอบความน่าเชื่อถือ

 

 

ระบบแบตเตอรี่ EV พร้อมแพลตฟอร์มไฟฟ้าแรงสูง 400V–1000V

ส่วนประกอบเซรามิก HVDC ใช้ใน:

คอนแทคเตอร์แบตเตอรี่หลัก
คอนแทคเตอร์ที่ชาร์จล่วงหน้า-
โมดูลชาร์จเร็ว DC
หน่วยถอดแบตเตอรี่

ความต้องการ:

การแยกอิเล็กทริกสูง
กระแสไฟรั่วต่ำ
อายุการใช้งานสวิตช์ยาวนาน
ความต้านทานต่อการกัดเซาะส่วนโค้ง

ระบบป้องกัน ESS และ PV อินเวอร์เตอร์ภายใต้มาตรฐาน IEC

ระบบกักเก็บพลังงานต้องใช้ส่วนประกอบฉนวนเซรามิกสำหรับ:

การป้องกันชั้นวางแบตเตอรี่
กล่องรวม DC
ระบบแปลงกำลัง
ชุดฟิวส์ไฟฟ้าแรงสูง-

 

สภาพการทำงานทั่วไป:

แอปพลิเคชัน	ช่วงแรงดันไฟฟ้า	ช่วงปัจจุบัน
ระบบแบตเตอรี่อีวี	400–1000V กระแสตรง	100–600A
อีเอส แร็ค	750–1500V กระแสตรง	200–1000A
พีวีอินเวอร์เตอร์	600–1500V กระแสตรง	50–500A

 

การเลือกผู้ผลิตตัวเครื่องเซรามิกอลูมินาสำหรับการใช้งาน HVDC

 

ซัพพลายเออร์ที่มีคุณสมบัติเหมาะสมควรจัดเตรียม:

ความสามารถของวัสดุเซรามิกอลูมินา 95%
โม-เทคโนโลยีการเคลือบโลหะ
กระบวนการประสานสุญญากาศ
ความสามารถในการตรวจสอบ CMM
เอกสาร PPAP ระดับ 3
ระบบตรวจสอบย้อนกลับแบบแบตช์

 

สำหรับทีมวิศวกรที่พัฒนาคอนแทคเตอร์ HVDC อุปกรณ์ป้องกันฟิวส์ และโมดูลอิเล็กทรอนิกส์กำลัง การเลือกวัสดุเซรามิกจะต้องได้รับการประเมินร่วมกับการออกแบบการเคลือบโลหะ กระบวนการปิดผนึก และข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือตลอดอายุการใช้งาน

 

 

 

คำถามที่ 1: วัสดุเซรามิกที่แนะนำสำหรับตัวเซรามิกคอนแทคเตอร์ HVDC คืออะไร

แนะนำให้ใช้เซรามิกอลูมินา 95% เนื่องจากมีความเป็นฉนวนสูงกว่า 15kV/มม. ความต้านทานแรงดัดงอมากกว่า 300MPa และประสิทธิภาพที่มั่นคงภายใต้การหมุนเวียนด้วยความร้อน

 

คำถามที่ 2: ผู้ผลิตตัวเรือนอลูมินาเซรามิกสามารถจัดเตรียมเอกสาร PPAP ระดับ 3 ได้หรือไม่

ใช่. ซัพพลายเออร์ด้านยานยนต์สามารถจัดหาแพ็คเกจ PPAP ระดับ 3 รวมถึง PFMEA แผนการควบคุม รายงานมิติ ใบรับรองวัสดุ และบันทึกการทดสอบความน่าเชื่อถือ

 

คำถามที่ 3: มีการควบคุมความหนาของการเคลือบโลหะ Mo- Mn อย่างไรหลอดฟิวส์เซรามิก?

โดยทั่วไปความหนาของโลหะในการเคลือบโลหะ Mo-Mn จะถูกควบคุมภายใน 10–30μm โดยใช้พารามิเตอร์การพิมพ์สกรีน สภาวะการติดไฟ และการทดสอบการยึดเกาะหลังการเคลือบโลหะ