Contatti SMD morbidi per la schermatura EMI del controller del motore EV

Come la schiuma conduttiva protegge i circuiti stampati dei controller dei motori automobilistici

Nel sistema di propulsione dei veicoli elettrici (EV), il controller del motore è uno dei componenti più complessi dal punto di vista della compatibilità elettromagnetica (EMC).

All'interno di un circuito stampato compatto, centinaia di ampere di corrente, centinaia di volt di tensione continua e dispositivi di commutazione ad alta velocità come moduli IGBT o MOSFET al SiC operano simultaneamente.

La frequenza di commutazione di questi dispositivi di potenza è generalmente compresa tra 10 kHz e 20 kHz. Tuttavia, i loro fronti di commutazione estremamente rapidi (spesso entro decine di nanosecondi) generano armoniche ad alta frequenza che possono estendersi fino a decine o addirittura centinaia di MHz.

Senza un efficace controllo delle interferenze elettromagnetiche (EMI), questi rumori ad alta frequenza possono influire sui sistemi di comunicazione del veicolo, sui sensori e su altre centraline elettroniche.

Se non hai familiarità con la tecnologia della schiuma conduttiva, puoi prima leggere la nostra guida: Cos'è la schiuma conduttiva? Usi, applicazioni e vantaggi in termini di schermatura EMI. .

Questo articolo si concentra sui PCB dei controller dei motori automobilistici e spiega come le soluzioni in schiuma conduttiva consentano di realizzare un sistema di schermatura EMI affidabile per i sistemi di trazione elettrica dei veicoli elettrici.

1. Sfide EMI dei PCB per i controller dei motori automobilistici

Prima di parlare delle applicazioni della schiuma conduttiva, è importante capire perché la schermatura dei PCB dei controllori dei motori sia difficile.

Sfida 1: Forte radiazione elettromagnetica da alta tensione e alta corrente

I moduli IGBT o MOSFET al SiC all'interno di un controller per motori commutano centinaia di volt e centinaia di ampere ad alta velocità.

Ogni operazione di commutazione crea:

• Elevata variazione di tensione (dV/dt fino a 10 kV/μs)
• Elevata variazione di corrente (dI/dt fino a diversi kA/μs)

Questi rapidi cambiamenti eccitano la radiazione elettromagnetica su:

• Tracce PCB
• strutture bus CC
• Terminali di alimentazione
• pin a semiconduttore

Il rumore generato può facilmente accoppiarsi a circuiti sensibili.

Sfida 2: I circuiti di controllo sensibili richiedono segnali stabili

Un circuito stampato per il controllo di un motore normalmente contiene due aree principali:

I circuiti di controllo solitamente funzionano a soli 3,3 V o 5 V.

Quando il rumore ad alta frequenza proveniente dalla sezione di potenza si accoppia alla sezione di controllo, può causare:

• Letture errate del sensore
• Errori di comunicazione
• Instabilità della coppia del motore
• Attivazione errata del dispositivo di alimentazione

Nei casi più gravi, segnali di commutazione errati possono causare cortocircuiti tra i bracci superiore e inferiore del ponte.

Sfida 3: Requisiti di affidabilità nel settore automobilistico

A differenza dell'elettronica di consumo, l'elettronica automobilistica è progettata per:

• Durata di servizio: 10-15 anni
• Temperatura di esercizio da -40 °C a 125 °C
• Vibrazioni continue e shock meccanici

I materiali di schermatura EMI devono mantenere un contatto elettrico stabile anche dopo migliaia di cicli termici e vibrazioni.

Qualsiasi aumento della resistenza di contatto può ridurre l'efficacia della schermatura nel tempo.

Sfida 4: Spazio di installazione limitato

I moderni sistemi di controllo dei motori dei veicoli elettrici continuano a evolversi verso una maggiore densità di potenza.

Con la riduzione delle dimensioni dei PCB, le soluzioni tradizionali come:

• Grandi coperture di schermatura
• Contatti a molla in metallo
• Strutture di messa a terra ingombranti

occupano spazio prezioso.

Le soluzioni di messa a terra compatte, come i contatti SMD morbidi e i contatti SMD in schiuma morbida , offrono un'alternativa più efficiente.

2. Quattro principali applicazioni della schiuma conduttiva nei PCB per il controllo dei motori

Applicazione 1: Messa a terra del PCB tra la scheda di controllo e l'alloggiamento metallico

Questa è una delle applicazioni più comuni della schiuma conduttiva all'interno dei controller dei motori dei veicoli elettrici.

Principio di funzionamento

Il circuito stampato del controller del motore viene solitamente installato all'interno di un alloggiamento in alluminio pressofuso.

L'alloggiamento metallico offre:

• Protezione meccanica
• Gestione termica
• Schermatura EMI

Sul PCB devono essere presenti più punti di messa a terra collegati all'involucro metallico con bassa impedenza.

Ciò consente alle correnti di rumore di modo comune generate dalla sezione di potenza di fluire rapidamente nell'involucro e di ritornare al sistema di alimentazione.

Perché utilizzare contatti SMD morbidi?

Le soluzioni tradizionali di messa a terra includono:

• Contatti a molla in metallo
• Colonne di gomma conduttiva

Tuttavia, questi metodi presentano delle limitazioni:

I contatti SMD morbidi combinano:

• Struttura elastica in silicone
• Rivestimento conduttivo
• Compatibilità con l'assemblaggio SMT automatizzato

A differenza delle tradizionali molle metalliche, contatti in schiuma SMD morbida può assorbire piccole vibrazioni meccaniche e mantenere prestazioni di messa a terra stabili.

Per una spiegazione dettagliata delle strutture in schiuma conduttiva SMT, si prega di fare riferimento a:

Che cos'è una guarnizione di schermatura EMI SMT?

Applicazione 2: Schermatura di isolamento tra area di alimentazione e area di controllo

Principio di funzionamento

All'interno di un circuito stampato per il controllo di un motore, la sezione di alimentazione e la sezione di controllo devono essere fisicamente separate.

Lo scopo è impedire che il rumore di commutazione si accoppi ai circuiti sensibili.

Le soluzioni tradizionali utilizzano coperture di schermatura metalliche.

Tuttavia, le coperture metalliche presentano diversi svantaggi:

• Processo di saldatura aggiuntivo
• Costo di assemblaggio più elevato
• Possibile dispersione di corrente attraverso le fessure tra la schermatura e il PCB

Soluzione in schiuma conduttiva

Tra l'area di alimentazione e l'area di controllo è possibile installare una guarnizione rettangolare in schiuma conduttiva FOF.

Una volta compresso:

• La superficie superiore entra in contatto con il dissipatore di calore o l'alloggiamento in alluminio
• La superficie inferiore è a contatto con il PCB
• Viene creata una barriera di isolamento EMI tridimensionale

Questa struttura blocca l'accoppiamento elettromagnetico tra due aree funzionali.

Perché non usare la lamina di rame?

La lamina di rame fornisce principalmente schermatura planare.

Tuttavia, le strutture di controllo dei motori spesso richiedono isolamento verticale.

La schiuma conduttiva offre:

• contatto tridimensionale
• Capacità di colmare le lacune
• Compensazione elastica per la tolleranza di assemblaggio

Per un confronto dettagliato dei materiali, vedere:

Schiuma conduttiva vs foglio di rame vs foglio di alluminio vs tessuto conduttivo: confronto delle prestazioni chiave

Applicazione 3: Schermatura di messa a terra per condensatori e moduli di potenza per bus CC

Principio di funzionamento

All'interno di un controller del motore di un veicolo elettrico, il condensatore del bus CC e il modulo di alimentazione sono tra le principali fonti di rumore elettromagnetico ad alta frequenza.

Grandi circuiti di corrente tra:

• Condensatori del bus CC
• Moduli MOSFET IGBT/SiC
• Barre collettrici in rame
• Tracce PCB ad alta corrente

generare una forte radiazione elettromagnetica di campo vicino.

Se il percorso di ritorno ad alta frequenza non è controllato correttamente, il rumore può propagarsi in tutto il sistema del veicolo.

Soluzione in schiuma conduttiva

La schiuma conduttiva può essere installata tra:

• Alloggiamento del modulo di alimentazione
• Struttura del condensatore del bus CC
• Radiatore
• Contenitore in alluminio

per creare molteplici punti di messa a terra a bassa impedenza.

Questo approccio aiuta a:

• Ridurre l'impedenza del percorso di ritorno ad alta frequenza
• Ridurre al minimo l'area del circuito corrente
• Emissioni irradiate inferiori
• Migliorare le prestazioni EMC nel settore automobilistico

Requisiti per la selezione dei materiali

Quest'area opera solitamente in condizioni di elevato stress termico.

Durante il funzionamento continuo, la temperatura in prossimità dei moduli di potenza può superare i 100 °C.

Pertanto, le applicazioni automobilistiche in genere richiedono:

• Anima in schiuma di silicone
• Pellicola conduttiva in PI placcata in oro
• struttura resistente alle alte temperature

Rispetto alla schiuma conduttiva standard, le strutture placcate in oro offrono una migliore resistenza all'ossidazione e un'affidabilità di contatto a lungo termine.

Per i dettagli sulla selezione del rivestimento, vedere:

Schiuma EMC placcata in oro, nichel o stagno: qual è il rivestimento migliore?

Applicazione 4: Messa a terra con schermatura a 360° tra connettori e alloggiamento

Principio di funzionamento

I connettori esterni rappresentano punti critici di dispersione delle interferenze elettromagnetiche nei controller dei motori dei veicoli elettrici.

Le interfacce tipiche includono:

• Connettori di ingresso CC ad alta tensione
• Connettori di uscita per motori trifase
• Connettori di segnale a bassa tensione

Quando i connettori attraversano involucri metallici, l'apertura può comportarsi come un'"antenna a fessura" e consentire la fuoriuscita del rumore elettromagnetico interno.

Soluzione in schiuma conduttiva

Una guarnizione in schiuma conduttiva a forma di anello viene installata tra:

• Flangia di collegamento
• Apertura dell'alloggiamento metallico

Dopo il serraggio, la schiuma si comprime creando una connessione conduttiva continua a 360°.

Ciò fornisce:

• Sigillatura elettromagnetica completa
• messa a terra a bassa impedenza
• Compensazione affidabile del divario

Perché scegliere la schiuma conduttiva invece della gomma conduttiva?

Anche gli anelli di gomma conduttiva sono comunemente utilizzati, ma la schiuma conduttiva offre diversi vantaggi:

Per le applicazioni di schermatura di connettori compatti, le guarnizioni in schiuma conduttiva offrono una soluzione leggera e flessibile.

3. Requisiti speciali per la schiuma conduttiva di grado automobilistico

L'elettronica automobilistica richiede un livello di affidabilità notevolmente superiore rispetto all'elettronica di consumo.

I seguenti requisiti sono fondamentali per le applicazioni di controllo del motore dei veicoli elettrici:

4. Guida alla selezione della schiuma conduttiva per il controllore del motore

5. Domande frequenti sulla schermatura EMI dei controllori motore

D1: È possibile mettere a terra direttamente il circuito stampato del controller del motore con le viti anziché utilizzare la schiuma conduttiva?

Le viti possono fornire punti di messa a terra, ma non possono garantire una messa a terra continua su tutta la superficie del circuito stampato.

Tra due viti possono comparire piccoli spazi dovuti a:

• deformazione del PCB
• espansione termica
• Vibrazione meccanica

Questi spazi vuoti possono creare antenne a fessura indesiderate.

La schiuma conduttiva fornisce una messa a terra distribuita in più punti, mantenendo una connessione continua a bassa impedenza tra il circuito stampato e l'involucro.

D2: I contatti SMD morbidi sono in grado di resistere alle temperature interne dei controllori dei motori?

Dipende dalla struttura del materiale.

La schiuma conduttiva standard con anima in poliuretano è generalmente adatta a temperature moderate, ma potrebbe non soddisfare i requisiti del settore automobilistico.

Per i controller dei motori EV, nucleo in silicone contatti in schiuma SMD morbida sono preferiti perché possono resistere a:

• -40°C bassa temperatura
• Funzionamento ad alta temperatura fino a 280 °C a seconda della struttura del materiale

Ciò li rende adatti agli ambienti automobilistici più difficili.

D3: Qual è la differenza tra i contatti SMD morbidi per applicazioni automobilistiche e i contatti in schiuma SMT standard?

Le soluzioni di livello automobilistico richiedono miglioramenti in diverse aree:

Livello dei materiali

Le versioni per autoveicoli in genere utilizzano:

• Elastomeri siliconici di qualità superiore
• Pellicole conduttive più affidabili
• Tecnologia di placcatura migliorata

Livello di produzione

Sono necessari:

• Gestione della qualità secondo la norma IATF 16949
• Tracciabilità del lotto
• Controllo rigoroso del processo

Test di affidabilità

I prodotti per il settore automobilistico devono superare test più rigorosi:

• Test di cicli termici
• Test di vibrazione
• Test di invecchiamento
• prove di corrosione

D4: Cosa succede se la schermatura EMI del controllore del motore si guasta?

Un controllo inadeguato delle interferenze elettromagnetiche può causare:

• Errori di comunicazione CAN/LIN
• Segnali di feedback del resolver errati
• Precisione ridotta nel controllo del motore
• Test di certificazione EMC falliti
• Attivazione errata del dispositivo di alimentazione

In situazioni critiche, una commutazione errata può danneggiare i moduli IGBT o SiC MOSFET.

Perché scegliere Konlida?

Konlida Precision Electronics Co., Ltd. È stata fondata nel 2006 ed è specializzata nello sviluppo e nella produzione di materiali di schermatura EMI e soluzioni di schiuma conduttiva di precisione.

Essendo uno dei primi produttori in grado di realizzare in serie prodotti in schiuma conduttiva SMT, Konlida ha sviluppato soluzioni di schermatura di livello automobilistico per:

• Controllori per motori di veicoli elettrici
• Sistemi di gestione della batteria (BMS)
• centraline elettroniche per autoveicoli
• Elettronica di potenza industriale

Le nostre soluzioni di schiuma conduttiva per il settore automobilistico supportano:

• Placcatura in oro
• Stagnatura
• Nichelatura
• Strutture in schiuma di silicone
• Assemblaggio automatizzato SMT

Con materiali con anima in silicone che supportano applicazioni ad alta temperatura fino a 280 °C, i nostri Contatto in schiuma morbida SMD Le soluzioni aiutano i clienti del settore automobilistico a ottenere una messa a terra stabile dei PCB e un'affidabilità EMC a lungo termine.

Dalla selezione dei materiali e dalla progettazione strutturale alla validazione del prototipo e alla produzione di massa, Konlida offre un supporto completo per la schermatura EMI dei sistemi di propulsione elettrica di nuova generazione.