当前来自于各个应用领域的逆变器制造厂商、电力电子系统集成商的工程师们都在研究减少装配空间并优化设计中连接性能的解决方案。Mersen的母线解决方案为功率电路和信号电路间提供了一种极具性能优势的连接方式。
作者：Philippe Roussel博士Mersen全球战略营销部 VP
简 介
作为电子电力和先进材料的世界级专业供应商， Mersen设计的创新解决方案能够满足各行业客户特定需求，使他们能够优化制造流程并提升产品性能。
挑 战
随着功率变换系统的不断发展，设计人员需要找到优化系统各方面的方案，例如减小体积和增强性能等。变频器、整流器和驱动器等传统的工业电力电子变换系统均采用标准接线方式和电缆来连接功率电路和信号电路。虽然电线和电缆可以满足连接需求，但定制化母线平台能带来一些优化解决方案的额外优势。
母线方案及其优势
图1 Mersen集成架构方案
层压母线是一种由多层隔开铜膜构成且层压成统一结构的工程化制造元件。母线可降低系统成本，提高可靠性，增加系统容量并减少接线失误，还可降低寄生电感和阻抗。此外，母线的物理结构提供了机械设计的独特功能，多层母线所能提供的结构完整性是接线方案所无法匹配的。
直接优化设计
基于累积100多年的设计、制造和测试母线的经验，Mersen的工程师们建立了强大的知识体系，能够有效帮助客户优化系统。Mersen的工程师们可以与逆变器厂商在设计最早期进行合作，有效地集成逆变器内的散热器、母线和熔断器等无源元件，并利用各种Multiphysics仿真工具集，在整个系统设计过程中评估散热器和母线的热性能和电气性能。这种方法被称为集成架构，其通过整体考虑散热器和母线解决方案以及半导体保护熔断器的性能，以实现整个逆变器组件尺寸设计最优化。
以客户需求为优化起点
由于每种母线的设计都是独特的，因此通常需要在最终量产前生产样板原型。为了确保原型尽可能接近最佳设计，可通过在概念阶段使用多物理场模拟仿真技术，从而得以在原型制造过程中发现并消除设计缺陷。
Mersen的多物理场仿真工具包括机械、电气和热仿真等多个方面。在模拟仿真阶段主要考虑两个设计方面，一个是最终组装中对空间优化的需求，而另一个则是使用多种不同材料相关的约束。
母线设计主要性能参数包括层尺寸、层组装、连接配置和绝缘材料及其厚度等。热性能是层压母线的关键性能，Mersen的应用工程师们通过对母线原型进行温升模拟，以模拟出电流流动时加热导体的焦耳效应以及功率模块与电容器的接口处的热集中，通过模拟仿真可以显著缩短产品开发周期。
在电气仿真方面，工程师和技术人员会模拟连接点的布线来确认其是否满足所有电气间隙和爬电距离要求，然后模拟电流分布以检查电流密度是否符合要求，从而限制母线的自身发热。
图2 母线热/电气性能模拟仿真
Mersen的母线产品在装运前会对每个部件会进行严格的测试，以确保其长期可靠性。除了电介质耐受性或绝缘击穿测试（又名“HiPot”）之外，Mersen还使用最先进的局部放电（PD：Partial Discharge）测试设备进行PD测试。Mersen的工程和质量团队采用故障模式分析（FMEA：Failure Mode Analysis）等可制造性设计（DFM：Design For Manufacturability）技术来评估每个订单，以确保在整个生产过程顺利完成而不会出现失误。
更好服务于未来的创新技术
Mersen开发了多项能为母线产品带来更多额外功能的全新技术，以更好地满足特定应用和行业的特殊要求。
低电感/高耐温母线
目前高频宽禁带半导体器件制造商们致力于提升功率模块内的功率密度和高频开关能力。因此，基于SiC或GaN的功率模块由于内部温度和电感的标准则要求模块本身采用优异的内部连接方案。Mersen开发了可高温管理和低电感电介质及相关粘合剂的制造工艺，以摆脱宽带隙半导体和最新IGBT产品中出现的新限制。目前我们的母线产品运行温度最高可达220 ℃且寄生电感低至35 nH，使用寿命可长达25年。
图3 用于功率模块内部的高耐温/低电感母线
用于电池组智能监控的母线
为了满足锂离子电池组和超级电容器组件等在电力电子应用中不断增加的恒压和温度监测需求，Mersen设计了一种将柔性电路、热传感器和其他定制化电子元件等定制元件组合成层压母线的创新概念。这种母线只允许一个部件独立地从所对应的那个电池进行功率连接和信号收集，因此每个电池的状态均通过定制化连接器传送到电池管理系统。
图4 用于连接电池的智能监控母线
可处理5 kV +击穿电压的低局部放电设计
局部放电是指固体或液体等绝缘系统中某一部分在高电压应力下的局部介电击穿。Mersen正致力于不断提高自身研发能力，以设计和制造适用于高达5 kV及以上电压应用的具有低局部放电的母线。增加工作电压应用和通过正局部放电测试可以极大地提升高压应用下母线的寿命周期，这项测试对逆变器和驱动系统制造商也至关重要。
图5 优化后的低局部放电母线
具有柔性浮式连接器的母线
温度循环和机械环境限制（冲击和振动）会损坏电容器、模块等元件固定点处的连接。为了避免这种情况，Mersen提供各种基于柔性浮式连接器设计的母线，这种母线的机械偏差范围为±1 mm，对电阻和电感的影响非常小。
图6 带有柔性浮式连接器的母线
服务于全球客户
- Mersen目前拥有覆盖全球主要经济区域的3个通过ISO 9001认证的产业基地，能够为层压母线产品提供全球服务。位于美国纽约的Rochester基地是服务于北美市场的卓越产业中心，该基地通过了AS9100C注册和ITAR认证。
- 位于法国的Angers基地是服务于欧洲市场的卓越产业中心，该基地获得IRIS认证，能更好地为机车牵引行业服务。
- 位于中国上海的制造工厂主要服务中国市场。
- 位于印度的第4个母线制造基地目前正在投入使用中，并已在2018年的前几个月开始生产。
最先进的金属加工工艺
各基地的内部设施包括CNC基站、冲床、CNC剪板机及CNC折弯机等，其中金属装配工艺主要有超声波焊接、感应钎焊，焊枪钎焊和焊接等。
电镀
各基地均有多种电镀处理方式可供选择：锡、锡铅、镍、铜、银和金等不同镀层材料，且关键参数在整个电镀过程中均会有所监控，并在最后进行厚度测量等测试。
适当选择绝缘
绝缘性能是层压母线的核心，直接影响产品的电气性能完整性，其中包括聚酰亚胺、PVF、PET、刚性绝缘、环氧玻璃、GPO和酚醛树脂等各种类型的绝缘材料可供选择。
装配和层压
Mersen为每种母线的层压工艺制造了专用生产设备，可以在层压前后安装附加的连接装置和电气元件。
功率组件装配服务
- 凭借在母线、冷却系统和熔断器等多方面的专业知识积累以及特有的多物理场仿真工具，Mersen专注于电力电子变换系统设计期间的各项服务。我们正在通过设计优化和装配服务帮助客户从这些性能优异的无源设备中受益，其中包括：利用我们实验室进行测试和设计验证，优化产品概念并缩短设计周期。
- 优先获取冷却系统、母线、电容器、熔断器和栅极驱动器等主要应用部件的参数。
- 总体价格优化/规模经济效应。
- 完全定制化方案，没有预定义的技术砖。从简单的母线+电容器子组件到全逆变器组件，Mersen是生产能力有限或没有生产能力的功率变换器/组件设计公司的首选合作伙伴。
图7 功率组件装配服务
总而言之，母线方案已经发展成为多种电力电子变换系统的集成组件和嵌入式平台，不仅能够提供优化后的连接，还有助于电力电子系统制造商提高其产品性能。
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