Мягкие SMD-контакты для экранирования от электромагнитных помех контроллера электродвигателя

Как токопроводящая пена защищает печатные платы контроллеров автомобильных двигателей

В силовой установке электромобиля (EV) контроллер двигателя является одним из наиболее сложных компонентов с точки зрения электромагнитной совместимости (ЭМС).

Внутри компактной печатной платы одновременно работают сотни ампер тока, сотни вольт постоянного напряжения и высокоскоростные коммутирующие устройства, такие как модули IGBT или SiC MOSFET.

Частота переключения этих силовых устройств обычно составляет от 10 кГц до 20 кГц. Однако их чрезвычайно быстрые фронты переключения (часто в течение десятков наносекунд) генерируют высокочастотные гармоники, которые могут достигать десятков или даже сотен МГц.

Без эффективного контроля электромагнитных помех (ЭМП) эти высокочастотные шумы могут влиять на системы связи транспортных средств, датчики и другие электронные блоки управления.

Если вы новичок в технологии проводящей пены, вы можете сначала ознакомиться с нашим руководством: Что такое проводящая пена? Применение, области использования и преимущества экранирования от электромагнитных помех. .

В этой статье рассматриваются печатные платы контроллеров автомобильных двигателей и объясняется, как решения на основе проводящей пены позволяют создать надежную систему экранирования от электромагнитных помех для электроприводных систем электромобилей.

1. Проблемы электромагнитной совместимости печатных плат контроллеров автомобильных двигателей.

Прежде чем обсуждать применение токопроводящей пены, важно понять, почему экранирование печатных плат контроллеров двигателей представляет собой сложную задачу.

Задача 1: Сильное электромагнитное излучение от высокого напряжения и высокого тока

Модули IGBT или SiC MOSFET внутри контроллера двигателя переключают сотни вольт и сотни ампер на высокой скорости.

Каждая операция переключения создает:

• Высокие колебания напряжения (dV/dt до 10 кВ/мкс)
• Высокие колебания тока (dI/dt до нескольких кА/мкс)

Эти быстрые изменения возбуждают электромагнитное излучение на:

• Дорожки печатной платы
• структуры шин постоянного тока
• Силовые клеммы
• Полупроводниковые контакты

Генерируемый шум может легко проникать в чувствительные схемы.

Задача 2: Для чувствительных цепей управления требуются стабильные сигналы.

Плата управления двигателем обычно содержит две основные области:

Обычно управляющие цепи работают при напряжении всего 3,3 В или 5 В.

Когда высокочастотные помехи из силового блока проникают в блок управления, это может вызвать:

• Неверные показания датчика
• Ошибки коммуникации
• нестабильность крутящего момента двигателя
• Ложное срабатывание силового устройства

В тяжелых случаях некорректные сигналы переключения могут вызвать короткое замыкание между верхним и нижним плечами моста.

Задача 3: Требования к надежности автомобилей

В отличие от бытовой электроники, автомобильная электроника предназначена для:

• Срок службы 10–15 лет
• Рабочая температура от -40°C до 125°C
• Непрерывная вибрация и механический удар

Материалы для экранирования электромагнитных помех должны сохранять стабильный электрический контакт после тысяч термических циклов и вибрационных воздействий.

Любое увеличение контактного сопротивления со временем может снизить эффективность экранирования.

Проблема 4: Ограниченное пространство для установки.

Современные контроллеры электродвигателей для электромобилей продолжают развиваться в направлении повышения удельной мощности.

По мере уменьшения размеров печатных плат традиционные решения, такие как:

• Большие защитные крышки
• Металлические пружинные контакты
• Громоздкие заземляющие конструкции

Занимают ценное пространство.

Компактные решения для заземления, такие как мягкие SMD-контакты и SMD-контакты из мягкой пены , представляют собой более эффективную альтернативу.

2. Четыре основных применения проводящей пены в печатных платах контроллеров двигателей.

Применение 1: Заземление печатной платы между платой управления и металлическим корпусом.

Это одно из наиболее распространенных применений токопроводящей пены в контроллерах электродвигателей электромобилей.

Принцип работы

Плата управления двигателем обычно устанавливается внутри литого алюминиевого корпуса.

Металлический корпус обеспечивает:

• Механическая защита
• Терморегулирование
• Экранирование от электромагнитных помех

Несколько точек заземления на печатной плате должны быть соединены с металлическим корпусом с низким сопротивлением.

Это позволяет синфазным шумовым токам, генерируемым силовым блоком, быстро проникать в корпус и возвращаться в систему питания.

Зачем использовать мягкие SMD-контакты?

Традиционные решения для заземления включают в себя:

• Металлические пружинные контакты
• Проводящие резиновые колонны

Однако эти методы имеют ограничения:

Мягкие SMD-контакты объединяют в себе:

• Эластичная силиконовая структура
• Проводящее покрытие
• Совместимость с автоматизированной сборкой SMT

В отличие от традиционных металлических пружин, мягкие SMD-контакты из пеноматериала способен поглощать небольшие механические вибрации и поддерживать стабильное заземление.

Подробное описание проводящих пеноструктур для поверхностного монтажа (SMT) см. в следующих источниках:

Что такое экранирующая прокладка для поверхностного монтажа (SMT) от электромагнитных помех?

Применение 2: Изоляционная защита между зоной электропитания и зоной управления.

Принцип работы

Внутри печатной платы контроллера двигателя силовая секция и секция управления должны быть физически разделены.

Цель состоит в предотвращении проникновения коммутационных помех в чувствительные цепи.

В традиционных решениях используются металлические экранирующие кожухи.

Однако металлические крышки имеют ряд недостатков:

• Дополнительный процесс сварки
• Более высокая стоимость сборки
• Возможна утечка через зазоры между экраном и печатной платой.

Проводящий пенораствор

Между зоной питания и зоной управления можно установить прямоугольную прокладку из токопроводящей пены FOF.

При сжатии:

• Верхняя поверхность соприкасается с алюминиевым радиатором или корпусом.
• Нижняя поверхность контактирует с печатной платой.
• Создается трехмерный барьер для изоляции от электромагнитных помех.

Эта конструкция блокирует электромагнитную связь между двумя функциональными областями.

Почему бы не использовать медную фольгу?

Медная фольга в основном обеспечивает плоскостное экранирование.

Однако конструкции контроллеров двигателей часто требуют вертикальной изоляции.

Проводящая пена обеспечивает:

• Трехмерный контакт
• Возможность заполнения пробелов
• Упругую компенсацию допусков при сборке.

Для более подробного сравнения материалов см.:

Проводящая пена против медной фольги против алюминиевой фольги против проводящей ткани: сравнение ключевых характеристик

Применение 3: Экранирование заземления для конденсаторов шины постоянного тока и силовых модулей.

Принцип работы

Внутри контроллера электродвигателя электромобиля конденсатор шины постоянного тока и силовой модуль являются одними из самых сильных источников высокочастотных электромагнитных помех.

Большие токовые петли между:

• Конденсаторы шины постоянного тока
• Модули IGBT/SiC MOSFET
• Медные шины
• Высокотоковые дорожки печатной платы

генерируют мощное электромагнитное излучение в ближнем поле.

Если путь обратного распространения высокочастотного сигнала не контролируется должным образом, шум может распространиться по всей системе автомобиля.

Проводящий пенораствор

Проводящую пену можно укладывать между:

• Корпус силового модуля
• структура конденсатора шины постоянного тока
• Радиатор
• Алюминиевый корпус

для создания множества точек заземления с низким импедансом.

Этот подход помогает:

• Снизьте сопротивление обратного пути высокочастотного сигнала.
• Минимизировать площадь контура тока
• Снижение уровня излучения
• Улучшение характеристик электромагнитной совместимости в автомобильной промышленности.

Требования к выбору материалов

Эта зона обычно функционирует в условиях сильного теплового напряжения.

Температура вблизи силовых модулей во время непрерывной работы может превышать 100 °C.

Таким образом, для применения в автомобильной промышленности обычно требуются:

• Силиконовый пенополиуретановый сердечник
• Позолоченная проводящая полиимидная пленка
• Конструкция, устойчивая к высоким температурам

По сравнению со стандартной проводящей пеной, структуры с золотым покрытием обеспечивают лучшую стойкость к окислению и долговременную надежность контакта.

Подробную информацию о выборе покрытия см. в:

Позолоченная, никелированная или оловянная пена EMC: какое покрытие лучше?

Применение 4: 360° экранирование и заземление между разъемами и корпусом

Принцип работы

Внешние разъемы являются критически важными точками утечки электромагнитных помех в контроллерах электродвигателей электромобилей.

Типичные интерфейсы включают в себя:

• Входные разъемы высокого напряжения постоянного тока
• Разъемы для вывода трехфазного двигателя
• Низковольтные сигнальные разъемы

Когда разъемы проходят через металлические корпуса, отверстие может вести себя как «щелевая антенна», позволяя выходить внутренним электромагнитным помехам.

Проводящий пенораствор

Между:

• Соединительный фланец
• Металлическое отверстие корпуса

После затяжки пенопласт сжимается, образуя непрерывное проводящее соединение на 360°.

Это обеспечивает:

• Полная электромагнитная герметизация
• Низкоимпедансное заземление
• Надежная компенсация разрыва

Почему стоит выбрать токопроводящую пену вместо токопроводящей резины?

Также широко используются токопроводящие резиновые кольца, но токопроводящая пена обладает рядом преимуществ:

Для экранирования компактных разъемов проводящие вспененные прокладки представляют собой легкое и гибкое решение.

3. Особые требования к проводящей пене автомобильного класса

Автомобильная электроника требует значительно большей надежности, чем бытовая электроника.

Для контроллеров электродвигателей в электромобилях крайне важны следующие требования:

4. Руководство по выбору токопроводящей пены для контроллеров двигателей

5. Часто задаваемые вопросы об экранировании от электромагнитных помех контроллеров двигателей

В1: Можно ли напрямую заземлить плату контроллера двигателя с помощью винтов, вместо использования токопроводящей пены?

Винты могут служить точками заземления, но они не могут гарантировать непрерывное заземление по всей площади печатной платы.

Между двумя винтами могут образовываться небольшие зазоры по следующим причинам:

• деформация печатной платы
• Тепловое расширение
• Механическая вибрация

Эти зазоры могут создавать нежелательные щелевые антенны.

Проводящая пена обеспечивает распределенное заземление в нескольких местах, поддерживая непрерывное низкоимпедансное соединение между печатной платой и корпусом.

Вопрос 2: Могут ли мягкие SMD-контакты выдерживать температуру внутри контроллеров двигателей?

Это зависит от структуры материала.

Стандартная теплопроводящая пена с полиуретановым сердечником обычно подходит для умеренных температур, но может не соответствовать требованиям автомобильной промышленности.

Для контроллеров электродвигателей используется кремниевый сердечник. мягкие SMD-контакты из пеноматериала Предпочтительнее использовать те, которые способны выдерживать:

• -40°C низкая температура
• Работа при высоких температурах до 280 °C в зависимости от структуры материала.

Благодаря этому они подходят для эксплуатации в суровых условиях автомобильной промышленности.

В3: В чем разница между автомобильными мягкими SMD-контактами и стандартными SMT-контактами из вспененного материала?

Для создания решений автомобильного класса необходимы улучшения в нескольких областях:

Уровень материала

В автомобильных версиях обычно используются:

• Эластомеры из высококачественного силикона
• Более надежные проводящие пленки
• Усовершенствованная технология нанесения покрытий

Уровень производства

Они требуют:

• IATF16949 управление качеством
• Прослеживаемость партий
• Строгий контроль технологического процесса

Тестирование надежности

Автомобильная продукция должна соответствовать более строгим требованиям:

• Испытания на термоциклирование
• Вибрационные испытания
• Тесты на старение
• Испытания на коррозию

Вопрос 4: Что произойдет, если экранирование от электромагнитных помех контроллера двигателя выйдет из строя?

Некачественный контроль электромагнитных помех может привести к следующим последствиям:

• Ошибки связи CAN/LIN
• Некорректные сигналы обратной связи резольвера
• Снижена точность управления двигателем.
• Не прошёл сертификационные испытания на электромагнитную совместимость.
• Ложное срабатывание силового устройства

В критических ситуациях неправильное переключение может повредить модули IGBT или SiC MOSFET.

Почему стоит выбрать Konlida?

Konlida Precision Electronics Co., Ltd. Компания была основана в 2006 году и специализируется на разработке и производстве материалов для экранирования электромагнитных помех и высокоточных проводящих пенопластовых решений.

Компания Konlida, будучи одним из первых производителей, способных к массовому выпуску проводящих пеноматериалов для поверхностного монтажа, разработала экранирующие решения автомобильного класса для:

• Контроллеры электродвигателей
• Системы управления батареями (BMS)
• Электронные блоки управления автомобиля
• Промышленная силовая электроника

Наши решения на основе токопроводящей пены для автомобильной промышленности обеспечивают:

• Золотое покрытие
• Лужение
• Никелирование
• конструкции из силиконовой пены
• Автоматизированная сборка SMT

Благодаря материалам с силиконовым сердечником, обеспечивающим работу при высоких температурах до 280 °C, наши изделия Мягкий пенопластовый контакт SMD Эти решения помогают автомобильным заказчикам обеспечить стабильное заземление печатных плат и долговременную электромагнитную совместимость.

От выбора материалов и проектирования конструкции до проверки прототипов и серийного производства, Konlida обеспечивает комплексную защиту от электромагнитных помех для электрических силовых установок следующего поколения.