موصلات SMD ناعمة لحماية وحدة التحكم في محرك السيارة الكهربائية من التداخل الكهرومغناطيسي

كيف تحمي الرغوة الموصلة لوحات الدوائر المطبوعة لوحدات التحكم في محركات السيارات

في نظام نقل الحركة للمركبات الكهربائية، يعد جهاز التحكم في المحرك أحد أكثر المكونات تحديًا من منظور التوافق الكهرومغناطيسي.

داخل مجموعة لوحات الدوائر المطبوعة المدمجة، تعمل مئات الأمبيرات من التيار، ومئات الفولتات من جهد التيار المستمر، وأجهزة التبديل عالية السرعة مثل وحدات IGBT أو SiC MOSFET في وقت واحد.

يتراوح تردد التبديل لهذه الأجهزة الكهربائية عادةً بين 10 كيلوهرتز و20 كيلوهرتز. ومع ذلك، فإن حواف التبديل فائقة السرعة (غالباً في غضون عشرات النانوثانية) تولد توافقيات عالية التردد يمكن أن تمتد إلى عشرات أو حتى مئات الميغاهرتز.

بدون التحكم الفعال في التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، قد تؤثر هذه الضوضاء عالية التردد على أنظمة الاتصالات الخاصة بالمركبات وأجهزة الاستشعار ووحدات التحكم الإلكترونية الأخرى.

إذا كنت جديدًا في مجال تقنية الرغوة الموصلة، يمكنك أولاً قراءة دليلنا: ما هي الرغوة الموصلة؟ استخداماتها وتطبيقاتها وفوائدها في الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي .

تركز هذه المقالة على لوحات الدوائر المطبوعة لوحدات التحكم في محركات السيارات وتشرح كيف تعمل حلول الرغوة الموصلة على بناء نظام حماية موثوق به ضد التداخل الكهرومغناطيسي لأنظمة القيادة الكهربائية للسيارات الكهربائية.

1. تحديات التوافق الكهرومغناطيسي للوحات الدوائر المطبوعة لوحدات التحكم في محركات السيارات

قبل مناقشة تطبيقات الرغوة الموصلة، من المهم فهم سبب صعوبة حماية لوحة الدوائر المطبوعة لوحدة التحكم في المحرك.

التحدي الأول: الإشعاع الكهرومغناطيسي القوي الناتج عن الجهد العالي والتيار العالي

تقوم وحدات IGBT أو SiC MOSFET الموجودة داخل وحدة التحكم في المحرك بتبديل مئات الفولتات ومئات الأمبيرات بسرعة عالية.

تُنشئ كل عملية تبديل ما يلي:

• تغير الجهد العالي (dV/dt يصل إلى 10 كيلو فولت/ميكروثانية)
• تغير التيار العالي (dI/dt يصل إلى عدة كيلو أمبير/ميكروثانية)

تؤدي هذه التغيرات السريعة إلى إثارة الإشعاع الكهرومغناطيسي على:

• مسارات لوحة الدوائر المطبوعة
• هياكل ناقل التيار المستمر
• أطراف توصيل الطاقة
• دبابيس أشباه الموصلات

يمكن للضوضاء المتولدة أن تتداخل بسهولة مع الدوائر الحساسة.

التحدي الثاني: تتطلب دوائر التحكم الحساسة إشارات مستقرة

تحتوي لوحة الدوائر المطبوعة لوحدة التحكم في المحرك عادةً على منطقتين رئيسيتين:

عادة ما تعمل دوائر التحكم بجهد 3.3 فولت أو 5 فولت فقط.

عندما ينتقل الضجيج عالي التردد من قسم الطاقة إلى قسم التحكم، فقد يتسبب ذلك في:

• قراءات غير صحيحة للمستشعر
• أخطاء في التواصل
• عدم استقرار عزم دوران المحرك
• تشغيل خاطئ لجهاز الطاقة

في الحالات الشديدة، قد تتسبب إشارات التبديل غير الصحيحة في حدوث دوائر قصر بين أذرع الجسر العلوية والسفلية.

التحدي الثالث: متطلبات موثوقية السيارات

على عكس الإلكترونيات الاستهلاكية، تم تصميم إلكترونيات السيارات من أجل:

• عمر الخدمة من 10 إلى 15 سنة
• درجة حرارة التشغيل من -40 درجة مئوية إلى 125 درجة مئوية
• الاهتزاز المستمر والصدمات الميكانيكية

يجب أن تحافظ مواد الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي على اتصال كهربائي مستقر بعد آلاف الدورات الحرارية وظروف الاهتزاز.

أي زيادة في مقاومة التلامس يمكن أن تقلل من فعالية الحماية بمرور الوقت.

التحدي الرابع: مساحة التركيب المحدودة

تستمر وحدات التحكم الحديثة في محركات السيارات الكهربائية في التطور نحو كثافة طاقة أعلى.

مع انخفاض حجم لوحات الدوائر المطبوعة، أصبحت الحلول التقليدية مثل:

• أغطية واقية كبيرة
• نقاط تلامس معدنية زنبركية
• هياكل تأريض ضخمة

تستهلك مساحة قيّمة.

توفر حلول التأريض المدمجة مثل موصلات SMD الناعمة وتصميمات موصلات SMD المصنوعة من الرغوة الناعمة بديلاً أكثر كفاءة.

2. أربعة تطبيقات رئيسية للرغوة الموصلة في لوحات الدوائر المطبوعة لوحدات التحكم في المحركات

التطبيق 1: تأريض لوحة الدوائر المطبوعة بين لوحة التحكم والهيكل المعدني

يُعد هذا أحد أكثر التطبيقات شيوعًا للرغوة الموصلة داخل وحدات التحكم في محركات المركبات الكهربائية.

مبدأ العمل

عادة ما يتم تركيب لوحة الدوائر المطبوعة لوحدة التحكم بالمحرك داخل غلاف من الألومنيوم المصبوب.

يوفر الغلاف المعدني ما يلي:

• الحماية الميكانيكية
• إدارة الحرارة
• الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي

يجب أن تتصل نقاط التأريض المتعددة على لوحة الدوائر المطبوعة بالهيكل المعدني ذي المقاومة المنخفضة.

يسمح هذا بتدفق تيارات الضوضاء ذات الوضع المشترك الناتجة عن قسم الطاقة بسرعة إلى الغلاف والعودة إلى نظام الطاقة.

لماذا نستخدم موصلات SMD المرنة؟

تشمل حلول التأريض التقليدية ما يلي:

• نقاط تلامس معدنية زنبركية
• أعمدة مطاطية موصلة

لكن هذه الأساليب لها قيود:

تجمع نقاط التلامس السطحية الناعمة بين:

• هيكل سيليكون مرن
• طلاء موصل
• التوافق مع تجميع SMT الآلي

على عكس النوابض المعدنية التقليدية، عدسات لاصقة إسفنجية ناعمة بتقنية SMD يمكنها امتصاص الاهتزازات الميكانيكية الصغيرة والحفاظ على أداء تأريض مستقر.

للحصول على شرح مفصل لهياكل الرغوة الموصلة لتقنية التجميع السطحي (SMT)، يرجى الرجوع إلى:

ما هي حشية الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي بتقنية SMT؟

التطبيق 2: الحماية العازلة بين منطقة الطاقة ومنطقة التحكم

مبدأ العمل

داخل لوحة الدوائر المطبوعة لوحدة التحكم في المحرك، يجب فصل قسم الطاقة وقسم التحكم فعليًا.

والهدف من ذلك هو منع ضوضاء التبديل من التداخل مع الدوائر الحساسة.

تستخدم الحلول التقليدية أغطية معدنية واقية.

لكن للأغطية المعدنية عدة عيوب:

• عملية لحام إضافية
• تكلفة تجميع أعلى
• احتمالية التسرب عبر الفجوات بين الغطاء الواقي ولوحة الدوائر المطبوعة

محلول رغوي موصل

يمكن تركيب حشية رغوية موصلة مستطيلة الشكل من نوع FOF بين منطقة الطاقة ومنطقة التحكم.

عند الضغط:

• يلامس السطح العلوي مشتت الحرارة المصنوع من الألومنيوم أو الغلاف
• السطح السفلي يلامس لوحة الدوائر المطبوعة
• يتم إنشاء حاجز عزل كهرومغناطيسي ثلاثي الأبعاد

هذا الهيكل يمنع الاقتران الكهرومغناطيسي بين منطقتين وظيفيتين.

لماذا لا نستخدم رقائق النحاس؟

توفر رقائق النحاس بشكل أساسي حماية مستوية.

ومع ذلك، غالباً ما تتطلب هياكل التحكم في المحركات عزلاً رأسياً.

توفر الرغوة الموصلة ما يلي:

• اتصال ثلاثي الأبعاد
• القدرة على سد الثغرات
• تعويض مرن لتفاوتات التجميع

للاطلاع على مقارنة تفصيلية للمواد، انظر:

مقارنة الأداء الرئيسية بين الرغوة الموصلة ورقائق النحاس ورقائق الألومنيوم والأقمشة الموصلة

التطبيق 3: التدريع الأرضي لمكثفات ناقل التيار المستمر ووحدات الطاقة

مبدأ العمل

داخل وحدة التحكم في محرك السيارة الكهربائية، يعتبر مكثف ناقل التيار المستمر ووحدة الطاقة من بين أقوى مصادر الضوضاء الكهرومغناطيسية عالية التردد.

حلقات تيار كبيرة بين:

• مكثفات ناقل التيار المستمر
• وحدات IGBT/SiC MOSFET
• قضبان التوصيل النحاسية
• مسارات لوحة الدوائر المطبوعة ذات التيار العالي

توليد إشعاع كهرومغناطيسي قوي في المجال القريب.

إذا لم يتم التحكم في مسار العودة عالي التردد بشكل صحيح، فقد ينتشر الضجيج في جميع أنحاء نظام السيارة.

محلول رغوي موصل

يمكن تركيب الرغوة الموصلة بين:

• غلاف وحدة الطاقة
• بنية مكثف ناقل التيار المستمر
• تقليل الحرارة
• غلاف من الألومنيوم

لإنشاء نقاط تأريض متعددة ذات مقاومة منخفضة.

هذا النهج يساعد على:

• تقليل مقاومة مسار العودة عالي التردد
• تقليل مساحة حلقة التيار
• انخفاض الانبعاثات الإشعاعية
• تحسين أداء التوافق الكهرومغناطيسي للسيارات

متطلبات اختيار المواد

عادة ما تعمل هذه المنطقة تحت ضغط حراري عالٍ.

قد تتجاوز درجة الحرارة بالقرب من وحدات الطاقة 100 درجة مئوية أثناء التشغيل المستمر.

لذلك، تتطلب تطبيقات السيارات عادةً ما يلي:

• قلب من رغوة السيليكون
• فيلم موصل مطلي بالذهب
• هيكل مقاوم لدرجات الحرارة العالية

بالمقارنة مع الرغوة الموصلة القياسية، توفر الهياكل المطلية بالذهب مقاومة أفضل للأكسدة وموثوقية اتصال طويلة الأمد.

للاطلاع على تفاصيل اختيار الطلاء، انظر:

رغوة EMC المطلية بالذهب مقابل المطلية بالنيكل مقابل المطلية بالقصدير: أي طلاء هو الأفضل؟

التطبيق 4: تأريض الحماية بزاوية 360 درجة بين الموصلات والهيكل

مبدأ العمل

تعتبر الموصلات الخارجية نقاط تسرب تداخل كهرومغناطيسي حرجة في وحدات التحكم بمحركات المركبات الكهربائية.

تشمل الواجهات النموذجية ما يلي:

• موصلات إدخال التيار المستمر عالية الجهد
• موصلات خرج المحرك ثلاثي الأطوار
• موصلات إشارة الجهد المنخفض

عندما تمر الموصلات عبر الهياكل المعدنية، يمكن أن تتصرف الفتحة مثل "هوائي الفتحة" وتسمح للضوضاء الكهرومغناطيسية الداخلية بالخروج.

محلول رغوي موصل

يتم تركيب حشية رغوية موصلة على شكل حلقة بين:

• شفة التوصيل
• غطاء معدني مفتوح

بعد الشد، تنضغط الرغوة وتخلق اتصالاً موصلاً مستمراً بزاوية 360 درجة.

وهذا يوفر ما يلي:

• إحكام إغلاق كهرومغناطيسي كامل
• التأريض ذو المقاومة المنخفضة
• تعويض موثوق للفجوة

لماذا نختار الرغوة الموصلة بدلاً من المطاط الموصل؟

تُستخدم حلقات المطاط الموصلة بشكل شائع أيضًا، لكن الرغوة الموصلة توفر العديد من المزايا:

بالنسبة لتطبيقات حماية الموصلات المدمجة، توفر الحشيات الرغوية الموصلة حلاً خفيف الوزن ومرنًا.

3. متطلبات خاصة للرغوة الموصلة المستخدمة في صناعة السيارات

تتطلب الإلكترونيات الخاصة بالسيارات موثوقية أعلى بكثير من الإلكترونيات الاستهلاكية.

تُعد المتطلبات التالية بالغة الأهمية لتطبيقات وحدة التحكم في محركات المركبات الكهربائية:

4. دليل اختيار رغوة موصلة لوحدة التحكم بالمحرك

5. الأسئلة الشائعة حول الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي لوحدة التحكم في المحرك

س1: هل يمكن استخدام البراغي لتأريض لوحة الدوائر المطبوعة لوحدة التحكم بالمحرك مباشرة بدلاً من استخدام الرغوة الموصلة؟

يمكن أن توفر البراغي نقاط تأريض، لكنها لا تضمن تأريضًا مستمرًا عبر منطقة لوحة الدوائر المطبوعة بأكملها.

قد تظهر فجوات صغيرة بين برغيين بسبب:

• تشوه لوحة الدوائر المطبوعة
• التمدد الحراري
• الاهتزاز الميكانيكي

يمكن أن تؤدي هذه الفجوات إلى تكوين هوائيات شق غير مرغوب فيها.

توفر الرغوة الموصلة تأريضًا موزعًا عبر مواقع متعددة، مما يحافظ على اتصال منخفض المقاومة بشكل مستمر بين لوحة الدوائر المطبوعة والهيكل.

س2: هل يمكن أن تتحمل موصلات SMD المرنة درجة الحرارة داخل وحدات التحكم في المحركات؟

يعتمد ذلك على بنية المادة.

تعتبر رغوة البولي يوريثان الموصلة القياسية مناسبة عادةً لدرجات الحرارة المعتدلة ولكنها قد لا تفي بمتطلبات صناعة السيارات.

بالنسبة لوحدات التحكم في محركات السيارات الكهربائية، ذات النواة السيليكونية عدسات لاصقة إسفنجية ناعمة بتقنية SMD تُفضّل هذه المواد لأنها قادرة على تحمّل ما يلي:

• درجة حرارة منخفضة تصل إلى -40 درجة مئوية
• تشغيل بدرجة حرارة عالية تصل إلى 280 درجة مئوية حسب بنية المادة

وهذا يجعلها مناسبة للبيئات القاسية في صناعة السيارات.

س3: ما الفرق بين موصلات SMD الناعمة للسيارات وموصلات SMT الرغوية القياسية؟

تتطلب الحلول المصممة خصيصًا للسيارات تحسينات في عدة مجالات:

مستوى المواد

تستخدم نسخ السيارات عادةً ما يلي:

• مطاط السيليكون عالي الجودة
• أغشية موصلة أكثر موثوقية
• تقنية الطلاء المحسّنة

مستوى التصنيع

إنهم يشترطون:

• إدارة الجودة وفقًا لمعيار IATF16949
• إمكانية تتبع الدفعات
• مراقبة صارمة للعمليات

اختبار الموثوقية

يجب أن تخضع منتجات السيارات لمعايير أكثر صرامة:

• اختبارات التدوير الحراري
• اختبارات الاهتزاز
• اختبارات الشيخوخة
• اختبارات التآكل

س4: ماذا يحدث إذا فشل التدريع الكهرومغناطيسي لوحدة التحكم في المحرك؟

قد يؤدي ضعف التحكم في التداخل الكهرومغناطيسي إلى ما يلي:

• أخطاء في اتصال CAN/LIN
• إشارات التغذية الراجعة غير الصحيحة للمحلل
• انخفاض دقة التحكم في المحرك
• فشل في اختبارات شهادة التوافق الكهرومغناطيسي
• تشغيل خاطئ لجهاز الطاقة

في الحالات الشديدة، قد يؤدي التبديل غير الصحيح إلى تلف وحدات IGBT أو SiC MOSFET.

لماذا تختار كونليدا؟

شركة كونليدا للإلكترونيات الدقيقة المحدودة تأسست في عام 2006 وهي متخصصة في تطوير وتصنيع مواد الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي وحلول الرغوة الموصلة الدقيقة.

باعتبارها واحدة من أوائل الشركات المصنعة القادرة على الإنتاج الضخم لمنتجات الرغوة الموصلة لتقنية التجميع السطحي (SMT)، طورت شركة كونليدا حلول حماية من الدرجة المستخدمة في صناعة السيارات لـ:

• وحدات التحكم في محركات المركبات الكهربائية
• أنظمة إدارة البطاريات (BMS)
• وحدات التحكم الإلكترونية للسيارات
• إلكترونيات الطاقة الصناعية

تدعم حلولنا من الرغوة الموصلة للسيارات ما يلي:

• طلاء ذهبي
• طلاء القصدير
• طلاء النيكل
• هياكل رغوة السيليكون
• تجميع SMT الآلي

بفضل المواد ذات النواة السيليكونية التي تدعم التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية حتى 280 درجة مئوية، فإن منتجاتنا موصلات إسفنجية ناعمة بتقنية SMD تساعد الحلول عملاء السيارات على تحقيق تأريض مستقر للوحات الدوائر المطبوعة وموثوقية طويلة الأمد للتوافق الكهرومغناطيسي.

من اختيار المواد والتصميم الهيكلي إلى التحقق من صحة النموذج الأولي والإنتاج الضخم، تقدم شركة Konlida دعمًا كاملاً للحماية من التداخل الكهرومغناطيسي لأنظمة نقل الحركة الكهربائية من الجيل التالي.