Weiche SMD-Kontakte für die EMV-Abschirmung von EV-Motorsteuerungen

Wie leitfähiger Schaumstoff Leiterplatten von Kfz-Motorsteuerungen schützt

Im Antriebssystem von Elektrofahrzeugen (EV) ist die Motorsteuerung aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) eine der anspruchsvollsten Komponenten.

Innerhalb einer kompakten Leiterplattenbaugruppe arbeiten gleichzeitig Hunderte von Ampere Strom, Hunderte von Volt Gleichspannung und Hochgeschwindigkeitsschaltgeräte wie IGBT- oder SiC-MOSFET-Module.

Die Schaltfrequenz dieser Leistungshalbleiter liegt üblicherweise zwischen 10 kHz und 20 kHz. Ihre extrem schnellen Schaltflanken (oft innerhalb von zehn Nanosekunden) erzeugen jedoch hochfrequente Oberwellen, die sich bis in den Bereich von zehn oder sogar hundert MHz erstrecken können.

Ohne eine wirksame Kontrolle elektromagnetischer Störungen (EMI) können diese hochfrequenten Geräusche Fahrzeugkommunikationssysteme, Sensoren und andere elektronische Steuergeräte beeinträchtigen.

Wenn Sie mit der Technologie leitfähiger Schaumstoffe noch nicht vertraut sind, können Sie zunächst unseren Leitfaden lesen: Was ist leitfähiger Schaumstoff? Verwendung, Anwendungen und Vorteile bei der elektromagnetischen Abschirmung Die

Dieser Artikel befasst sich mit Leiterplatten für Motorsteuerungen in der Automobilindustrie und erklärt, wie leitfähige Schaumstofflösungen ein zuverlässiges EMI-Abschirmungssystem für elektrische Antriebssysteme von Elektrofahrzeugen aufbauen.

1. EMV-Herausforderungen von Leiterplatten für Kfz-Motorsteuerungen

Bevor wir auf die Anwendung von leitfähigem Schaumstoff eingehen, ist es wichtig zu verstehen, warum die Abschirmung von Motorsteuerungs-Leiterplatten so schwierig ist.

Herausforderung 1: Starke elektromagnetische Strahlung durch Hochspannung und hohen Strom

Die IGBT- oder SiC-MOSFET-Module in einem Motorcontroller schalten Hunderte von Volt und Hunderte von Ampere mit hoher Geschwindigkeit.

Jeder Schaltvorgang erzeugt:

• Hohe Spannungsänderung (dV/dt bis zu 10 kV/µs)
• Hohe Stromvariation (dI/dt bis zu mehreren kA/μs)

Diese schnellen Veränderungen regen elektromagnetische Strahlung an auf:

• Leiterbahnen auf der Leiterplatte
• DC-Busstrukturen
• Stromanschlüsse
• Halbleiterstifte

Das erzeugte Rauschen kann leicht in empfindliche Schaltkreise einkoppeln.

Herausforderung 2: Empfindliche Steuerschaltungen benötigen stabile Signale

Eine Motorsteuerungs-Leiterplatte enthält normalerweise zwei Hauptbereiche:

Die Steuerschaltungen arbeiten üblicherweise nur mit 3,3 V oder 5 V.

Wenn hochfrequentes Rauschen aus dem Leistungsteil in den Steuerteil eingekoppelt wird, kann dies folgende Folgen haben:

• Falsche Sensorwerte
• Kommunikationsfehler
• Drehmomentinstabilität des Motors
• Fehlauslösung des Leistungsgeräts

In schweren Fällen können fehlerhafte Schaltsignale Kurzschlüsse zwischen den oberen und unteren Brückenarmen verursachen.

Herausforderung 3: Anforderungen an die Zuverlässigkeit in der Automobilindustrie

Im Gegensatz zu Unterhaltungselektronik ist Automobilelektronik für Folgendes konzipiert:

• 10–15 Jahre Nutzungsdauer
• Betriebstemperatur -40 °C bis 125 °C
• Kontinuierliche Vibration und mechanischer Stoß

EMI-Abschirmmaterialien müssen auch nach Tausenden von Temperaturzyklen und Vibrationseinflüssen einen stabilen elektrischen Kontakt aufrechterhalten.

Eine Erhöhung des Kontaktwiderstands kann die Schirmwirkung im Laufe der Zeit verringern.

Herausforderung 4: Begrenzter Installationsraum

Moderne Motorsteuerungen für Elektrofahrzeuge entwickeln sich immer weiter in Richtung höherer Leistungsdichte.

Mit abnehmender Leiterplattengröße werden traditionelle Lösungen wie die folgenden immer seltener:

• Große Abschirmabdeckungen
• Metallfederkontakte
• Sperrige Erdungsstrukturen

wertvollen Platz beanspruchen.

Kompakte Erdungslösungen wie weiche SMD-Kontakte und weiche SMD-Schaumstoffkontakte bieten eine effizientere Alternative.

2. Vier Hauptanwendungen von leitfähigem Schaumstoff in Motorsteuerungs-Leiterplatten

Anwendung 1: Leiterplattenerdung zwischen Steuerplatine und Metallgehäuse

Dies ist eine der häufigsten Anwendungen von leitfähigem Schaumstoff in Motorsteuerungen von Elektrofahrzeugen.

Funktionsprinzip

Die Motorsteuerungsplatine ist üblicherweise in einem Aluminium-Druckgussgehäuse untergebracht.

Das Metallgehäuse bietet:

• Mechanischer Schutz
• Wärmemanagement
• EMI-Abschirmung

Mehrere Erdungspunkte auf der Leiterplatte müssen mit niedriger Impedanz an das Metallgehäuse angeschlossen werden.

Dadurch können Gleichtaktstörströme, die vom Leistungsteil erzeugt werden, schnell in das Gehäuse fließen und zum Stromversorgungssystem zurückkehren.

Warum weiche SMD-Kontakte verwenden?

Zu den traditionellen Erdungslösungen gehören:

• Metallfederkontakte
• Leitfähige Gummisäulen

Diese Methoden haben jedoch ihre Grenzen:

Weiche SMD-Kontakte kombinieren:

• Elastische Silikonstruktur
• Leitfähige Beschichtung
• Kompatibilität mit automatisierter SMT-Bestückung

Im Gegensatz zu herkömmlichen Metallfedern weiche SMD-Schaumstoffkontakte kann kleine mechanische Vibrationen absorbieren und eine stabile Erdungsleistung aufrechterhalten.

Eine detaillierte Erklärung der leitfähigen Schaumstoffstrukturen in der SMT-Technik finden Sie unter:

Was ist eine SMT-EMI-Abschirmdichtung?

Anwendung 2: Isolationsschirmung zwischen Stromversorgungsbereich und Steuerbereich

Funktionsprinzip

Innerhalb einer Motorsteuerungsplatine müssen der Leistungsteil und der Steuerteil physisch voneinander getrennt sein.

Ziel ist es, zu verhindern, dass Schaltgeräusche in empfindliche Schaltungen gelangen.

Bei herkömmlichen Lösungen werden metallische Abschirmabdeckungen verwendet.

Metallabdeckungen weisen jedoch mehrere Nachteile auf:

• Zusätzliches Schweißverfahren
• Höhere Montagekosten
• Mögliche Leckströme durch Spalten zwischen Abschirmung und Leiterplatte

Leitfähige Schaumlösung

Zwischen dem Stromversorgungsbereich und dem Steuerungsbereich kann eine rechteckige FOF-leitfähige Schaumstoffdichtung installiert werden.

Im komprimierten Zustand:

• Die Oberseite berührt den Aluminium-Kühlkörper bzw. das Gehäuse.
• Die Unterseite steht in Kontakt mit der Leiterplatte.
• Es wird eine dreidimensionale EMI-Isolationsbarriere geschaffen.

Diese Struktur verhindert die elektromagnetische Kopplung zwischen zwei Funktionsbereichen.

Warum nicht Kupferfolie verwenden?

Kupferfolie dient hauptsächlich der flächigen Abschirmung.

Allerdings benötigen Motorsteuerungsstrukturen häufig eine vertikale Trennung.

Leitfähiger Schaumstoff bietet:

• Dreidimensionaler Kontakt
• Lückenfüllfähigkeit
• Elastischer Ausgleich für Montagetoleranz

Einen detaillierten Materialvergleich finden Sie hier:

Leitfähiger Schaumstoff vs. Kupferfolie vs. Aluminiumfolie vs. leitfähiges Gewebe: Wichtigste Leistungsvergleiche

Anwendung 3: Erdungsschirmung für DC-Bus-Kondensatoren und Leistungsmodule

Funktionsprinzip

Im Inneren eines Motorsteuergeräts für Elektrofahrzeuge gehören der DC-Bus-Kondensator und das Leistungsmodul zu den stärksten Quellen hochfrequenter elektromagnetischer Störungen.

Große Stromschleifen zwischen:

• DC-Bus-Kondensatoren
• IGBT/SiC-MOSFET-Module
• Kupfersammelschienen
• Hochstrom-Leiterbahnen auf Leiterplatten

erzeugen starke elektromagnetische Nahfeldstrahlung.

Wird der hochfrequente Rückweg nicht ordnungsgemäß kontrolliert, kann sich das Rauschen im gesamten Fahrzeugsystem ausbreiten.

Leitfähige Schaumlösung

Leitfähiger Schaumstoff kann zwischen folgenden Stellen installiert werden:

• Gehäuse des Leistungsmoduls
• DC-Bus-Kondensatorstruktur
• Kühlkörper
• Aluminiumgehäuse

um mehrere niederohmige Erdungspunkte zu schaffen.

Dieser Ansatz hilft:

• Reduzierung der Impedanz des Hochfrequenz-Rückpfads
• Minimierung der Stromschleifenfläche
• Geringere Strahlungsemissionen
• Verbesserung der EMV-Leistung im Automobilbereich

Anforderungen an die Materialauswahl

Dieser Bereich ist üblicherweise hohen thermischen Belastungen ausgesetzt.

Die Temperatur in der Nähe der Leistungsmodule kann im Dauerbetrieb 100°C überschreiten.

Daher benötigen Automobilanwendungen typischerweise:

• Silikonschaumkern
• vergoldete leitfähige PI-Folie
• Hochtemperaturbeständige Struktur

Im Vergleich zu herkömmlichem leitfähigem Schaumstoff bieten vergoldete Strukturen eine bessere Oxidationsbeständigkeit und langfristige Kontaktsicherheit.

Einzelheiten zur Beschichtungsauswahl finden Sie hier:

Vergoldeter, vernickelter oder verzinnter EMV-Schaum: Welche Beschichtung ist die beste?

Anwendung 4: 360°-Schirmung und Erdung zwischen Steckverbindern und Gehäuse

Funktionsprinzip

Externe Anschlüsse stellen kritische Schwachstellen für elektromagnetische Störungen in den Motorsteuerungen von Elektrofahrzeugen dar.

Typische Schnittstellen umfassen:

• Hochspannungs-Gleichstrom-Eingangsanschlüsse
• Dreiphasenmotor-Ausgangsanschlüsse
• Niederspannungssignalanschlüsse

Wenn Steckverbinder durch Metallgehäuse geführt werden, kann die Öffnung wie eine „Schlitzantenne“ wirken und interne elektromagnetische Störungen entweichen lassen.

Leitfähige Schaumlösung

Eine ringförmige, leitfähige Schaumstoffdichtung wird zwischen folgenden Stellen installiert:

• Anschlussflansch
• Öffnung für Metallgehäuse

Nach dem Festziehen wird der Schaumstoff komprimiert und es entsteht eine durchgehende, 360° leitende Verbindung.

Dies bietet Folgendes:

• Vollständige elektromagnetische Abdichtung
• Niederohmige Erdung
• Zuverlässiger Lückenausgleich

Warum leitfähigen Schaumstoff anstelle von leitfähigem Gummi wählen?

Leitfähige Gummiringe werden ebenfalls häufig verwendet, leitfähiger Schaumstoff bietet jedoch mehrere Vorteile:

Für kompakte Steckverbinder-Abschirmungsanwendungen bieten leitfähige Schaumstoffdichtungen eine leichte und flexible Lösung.

3. Besondere Anforderungen an leitfähigen Schaumstoff in Automobilqualität

Die Elektronik in der Automobilindustrie muss deutlich zuverlässiger sein als die Elektronik für Unterhaltungselektronik.

Für Anwendungen von EV-Motorsteuerungen sind folgende Anforderungen entscheidend:

4. Leitfaden zur Auswahl von leitfähigem Schaumstoff für Motorsteuerungen

5. Häufig gestellte Fragen zur EMV-Abschirmung von Motorsteuerungen

Frage 1: Können Schrauben die Motorsteuerungsplatine direkt erden, anstatt leitfähigen Schaumstoff zu verwenden?

Schrauben können zwar Erdungspunkte bereitstellen, aber sie können keine durchgängige Erdung über die gesamte Leiterplattenfläche gewährleisten.

Zwischen zwei Schrauben können aufgrund folgender Faktoren kleine Spalten entstehen:

• Leiterplattenverzug
• Wärmeausdehnung
• Mechanische Schwingungen

Durch diese Lücken können unerwünschte Schlitzantennen entstehen.

Leitfähiger Schaumstoff sorgt für eine verteilte Erdung an mehreren Stellen und gewährleistet so eine kontinuierliche niederohmige Verbindung zwischen Leiterplatte und Gehäuse.

Frage 2: Können weiche SMD-Kontakte den Temperaturen im Inneren von Motorsteuerungen standhalten?

Das hängt von der Materialstruktur ab.

Standardmäßig leitfähiger Schaumstoff mit PU-Kern eignet sich in der Regel für moderate Temperaturen, erfüllt aber möglicherweise nicht die Anforderungen der Automobilindustrie.

Für Motorsteuerungen von Elektrofahrzeugen, Siliziumkern weiche SMD-Schaumstoffkontakte werden bevorzugt, weil sie folgenden Belastungen standhalten können:

• -40 °C niedrige Temperatur
• Hochtemperaturbetrieb bis zu 280 °C abhängig von der Materialstruktur

Dadurch eignen sie sich für die rauen Bedingungen im Automobilbereich.

Frage 3: Worin besteht der Unterschied zwischen Soft-SMD-Kontakten für die Automobilindustrie und Standard-SMT-Schaumkontakten?

Lösungen in Automobilqualität erfordern Verbesserungen in mehreren Bereichen:

Materialebene

Automobilversionen verwenden typischerweise:

• Hochwertige Silikonelastomere
• Zuverlässigere leitfähige Filme
• Verbesserte Beschichtungstechnologie

Fertigungsebene

Sie benötigen:

• IATF16949 Qualitätsmanagement
• Chargenrückverfolgbarkeit
• Strenge Prozesskontrolle

Zuverlässigkeitsprüfung

Automobilprodukte müssen strengere Auflagen erfüllen:

• Thermische Zyklentests
• Schwingungsprüfungen
• Alterungstests
• Korrosionsprüfungen

Frage 4: Was passiert, wenn die EMI-Abschirmung des Motorcontrollers ausfällt?

Mangelhafte EMV-Kontrolle kann zu Folgendem führen:

• CAN/LIN-Kommunikationsfehler
• Falsche Resolver-Rückkopplungssignale
• Verringerte Motorsteuerungsgenauigkeit
• Nicht bestandene EMV-Zertifizierungsprüfungen
• Fehlauslösung des Leistungsgeräts

In kritischen Situationen kann eine falsche Schaltung IGBT- oder SiC-MOSFET-Module beschädigen.

Warum Konlida wählen?

Konlida Precision Electronics Co., Ltd. wurde 2006 gegründet und ist auf die Entwicklung und Herstellung von EMI-Abschirmungsmaterialien und präzisionsgefertigten leitfähigen Schaumstofflösungen spezialisiert.

Als einer der ersten Hersteller, der in der Lage war, leitfähige SMT-Schaumprodukte in Serie zu fertigen, hat Konlida Abschirmungslösungen in Automobilqualität entwickelt für:

• EV-Motorsteuerungen
• Batteriemanagementsysteme (BMS)
• Elektronische Steuergeräte für Kraftfahrzeuge
• Industrielle Leistungselektronik

Unsere leitfähigen Schaumstofflösungen für die Automobilindustrie unterstützen:

• Vergoldung
• Verzinnung
• Vernickelung
• Silikonschaumstrukturen
• SMT-automatisierte Montage

Mit Silikonkernmaterialien, die Hochtemperaturanwendungen bis zu 280 °C unterstützen, SMD-Weichschaumkontakt Die Lösungen helfen Automobilkunden, eine stabile Leiterplattenerdung und langfristige EMV-Zuverlässigkeit zu erreichen.

Von der Materialauswahl und dem Strukturdesign über die Prototypenvalidierung bis hin zur Serienproduktion bietet Konlida umfassende Unterstützung im Bereich der elektromagnetischen Abschirmung für elektrische Antriebssysteme der nächsten Generation.