由于新能源汽車用電機(jī)逆變器安裝空間狹小、使用環(huán)境惡劣，通常對(duì)其功率密度、結(jié)構(gòu)緊湊性及電磁兼容性等有較高的要求。疊層母排具有電路雜散電感小、集成度高及電磁兼容性良好等特點(diǎn)，能夠較好地滿足車用逆變器需求，故疊層母排被廣泛應(yīng)用于車用逆變器。

通過(guò)對(duì)目前可見(jiàn)的文獻(xiàn)及行業(yè)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，針對(duì)疊層母排的缺陷檢測(cè)多集中于外觀缺陷，如填充不足、收縮痕、水絲、流痕、熔接線和遲滯現(xiàn)象等，鮮有提及疊層母排內(nèi)部缺陷的檢測(cè)方法。由于疊層母排的相鄰母排間距離較近的特點(diǎn)，一旦疊層母排內(nèi)部出現(xiàn)絕緣問(wèn)題，后果極其嚴(yán)重。

本文主要通過(guò)對(duì)一體化注塑疊層母排工程應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行原因分析排查，根據(jù)分析產(chǎn)生的原因，調(diào)整生產(chǎn)工藝，制定試驗(yàn)方案，最后順利將產(chǎn)生的缺陷問(wèn)題解決?；诖顺晒Π咐岢鲆环N一體化注塑疊層母排內(nèi)部缺陷檢測(cè)思路，以期在產(chǎn)品早期開(kāi)發(fā)階段排查出一體化注塑疊層母排內(nèi)部缺陷，避免不必要的損失，確保產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性。

1 疊層母排優(yōu)勢(shì)及實(shí)現(xiàn)形式

1.1 疊層母排優(yōu)勢(shì)

疊層母排是由導(dǎo)體層和絕緣層交替疊層排列而成。根據(jù)趨膚效應(yīng)，導(dǎo)體層的電流集中在母排內(nèi)部相近的兩個(gè)平面上，且方向相反，其對(duì)外磁場(chǎng)在一定程度上相互抵消，使線路上的雜散電感大幅減小。另外，將導(dǎo)線做成扁平截面，相同截面積下，導(dǎo)線越薄越寬，其寄生電感就越小。除了以上特點(diǎn)外，與傳統(tǒng)電纜相比，疊層母排還具有更好的載流能力和散熱能力、較低的制作成本、裝配簡(jiǎn)單且節(jié)省空間、較高的安全性與可靠性等一系列優(yōu)點(diǎn)。

1.2 疊層母排實(shí)現(xiàn)形式

目前車用逆變器中母排疊層的實(shí)現(xiàn)方式主要有母排套熱縮管方式、母排浸塑方式、母排裹附絕緣膠帶方式、母排與獨(dú)立絕緣支架拼裝方式及母排與絕緣材料一體化注塑成型方式等。其中，母排套熱縮管、母排浸塑、母排裹附絕緣膠帶的方式雖然設(shè)計(jì)比較靈活，無(wú)注塑模具成本，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但是定位精度差，需人工裝配，不適合大批量自動(dòng)化生產(chǎn)。另外，母排套熱縮管和母排裹附絕緣膠帶這兩種方式不適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)銅排方案，比如帶有折彎結(jié)構(gòu)的銅排在折彎位置處的絕緣。

母排與獨(dú)立絕緣支架拼裝方式是目前比較常用的方案，適合結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的母排疊層設(shè)計(jì)。絕緣支架作為獨(dú)立部件，其成型工藝相對(duì)簡(jiǎn)單且缺陷較易發(fā)現(xiàn)，絕緣可靠。但是，該拼裝方式需要人工預(yù)合裝；另外，由于母排和絕緣件有一定串動(dòng)量，定位精度一般，當(dāng)母線結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時(shí)，絕緣件結(jié)構(gòu)可能會(huì)非常復(fù)雜或者需要多個(gè)絕緣件拼裝組合，除此之外，由于拼裝方式邊緣無(wú)法完全封閉，有異物或者凝露水滴進(jìn)入的可能，一旦安全裕量不足，有絕緣失效風(fēng)險(xiǎn)。

母排與絕緣材料一體化注塑成型方案的定位精度高，裝配方便，雖然母排構(gòu)型非常復(fù)雜，但整體設(shè)計(jì)及成型工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，且母排層疊區(qū)域完全被注塑絕緣材料包覆，能有效防止異物侵入，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

但該方案也有一定缺點(diǎn)，由于整個(gè)部件一體成型，且缺陷主要出現(xiàn)在絕緣材料層，無(wú)法通過(guò)如X光或工業(yè)成像技術(shù)等常規(guī)探測(cè)手段檢測(cè)，一旦帶缺陷部件裝機(jī)運(yùn)行，有可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故和召回事件。因此，有必要對(duì)一體化注塑疊層母排內(nèi)部缺陷檢測(cè)方法進(jìn)行研究，進(jìn)而提高產(chǎn)品可靠性。

2 一體化注塑疊層母排內(nèi)部缺陷檢測(cè)方法

2.1 常規(guī)檢測(cè)

目前，針對(duì)一體化注塑疊層母排內(nèi)部缺陷進(jìn)行的常規(guī)檢測(cè)措施主要有兩種：

1）通過(guò)X光或計(jì)算機(jī)斷層掃描檢查母排的變形情況，進(jìn)而判斷樣件受力支撐點(diǎn)位是否合理。

2）常規(guī)耐電壓試驗(yàn)。該試驗(yàn)的電壓值主要用于考察常規(guī)電氣絕緣設(shè)計(jì)，依據(jù)測(cè)試所需絕緣規(guī)格設(shè)定，一般根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或者企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定。

通過(guò)上述常規(guī)檢測(cè)，一般可以排查出絕緣件內(nèi)部較大的缺陷，但是無(wú)法檢測(cè)出絕緣件內(nèi)部較小的缺陷，如微裂紋、二次注塑件邊緣形成的熔接線處缺陷等，這些小的缺陷會(huì)隨時(shí)間進(jìn)一步惡化，導(dǎo)致母排間絕緣擊穿。針對(duì)這種小的缺陷，目前行業(yè)內(nèi)尚無(wú)較好的檢測(cè)方法。

2.2 耐壓擊穿試驗(yàn)

針對(duì)上文常規(guī)檢測(cè)無(wú)法檢出的小的缺陷，本文提出一種適合一體化注塑疊層母排絕緣件的缺陷檢測(cè)思路，即利用注塑材料本身絕緣耐電壓特性，對(duì)注塑成型后材料進(jìn)行耐壓擊穿試驗(yàn)，通過(guò)擊穿電壓值與注塑材料本身絕緣耐電壓進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而判斷一體化注塑樣件內(nèi)部是否存在缺陷。

其中，注塑材料本身絕緣耐電壓可以通過(guò)制作絕緣材料樣件（無(wú)缺陷或少缺陷，厚度與母排間絕緣件厚度一致）并檢測(cè)其耐電壓獲得，也可將絕緣件物性表中絕緣電壓或者材料供應(yīng)商已經(jīng)進(jìn)行的檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為參考。

本文提供一種缺陷檢測(cè)的基本思路，針對(duì)不同樣件缺陷檢測(cè)方案的確定，還需要根據(jù)具體樣件特點(diǎn)及產(chǎn)生失效的原理確定是否需要補(bǔ)充其他輔助試驗(yàn)。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 問(wèn)題出現(xiàn)

以某款逆變器開(kāi)發(fā)過(guò)程中一體化注塑疊層母排出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題為例。逆變器在進(jìn)行整機(jī)高溫高濕試驗(yàn)和加減速冷熱沖擊試驗(yàn)中均出現(xiàn)注塑疊層母排開(kāi)裂現(xiàn)象，損壞樣件如圖1和圖2所示，開(kāi)裂現(xiàn)象相同，均為負(fù)極母排向外側(cè)有明顯塑性變形，且負(fù)極母排與正極母排之間有明顯的放電燒蝕痕跡。

圖1 開(kāi)裂件放電燒蝕

圖2 開(kāi)裂件拆機(jī)

3.2 問(wèn)題分析

針對(duì)注塑疊層母排開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行原因排查，主要從兩個(gè)方面著手分析：1）由于母排先變形導(dǎo)致塑料件開(kāi)裂，最后造成絕緣失效；2）由于母排間絕緣先失效，正負(fù)銅排間由于放電作用導(dǎo)致母排變形，因母排變形量較大，最終導(dǎo)致塑料件被撐裂。

根據(jù)上述思路對(duì)故障原因進(jìn)行一一排查，排查結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 故障原因排查結(jié)果

對(duì)表1中可能的故障原因6和7，初步無(wú)法實(shí)現(xiàn)排除，所以需開(kāi)展進(jìn)一步排查工作，具體措施如下：

1）損壞樣件拆解檢查，發(fā)現(xiàn)故障位置一致，均位于夾持定位柱邊緣。

2）故障復(fù)現(xiàn)。取6個(gè)全新樣件，進(jìn)行2 500V絕緣檢測(cè)，全部通過(guò)；之后對(duì)6個(gè)樣件進(jìn)行模擬高溫高濕試驗(yàn)后，2 500V耐壓復(fù)測(cè)，1個(gè)樣件絕緣突破，拆解后發(fā)現(xiàn)與損壞樣件擊穿點(diǎn)位置相同。

3）故障復(fù)現(xiàn)。對(duì)9件全新件進(jìn)行耐壓擊穿試驗(yàn)，6件內(nèi)部擊穿，具體擊穿電壓值見(jiàn)表2，拆解后發(fā)現(xiàn)擊穿點(diǎn)與損壞樣件擊穿點(diǎn)位置相似，均位于夾持定位柱邊緣。

說(shuō)明：因注塑疊層母排正負(fù)母排間最短爬電距離為8mm，進(jìn)行耐壓擊穿試驗(yàn)時(shí)，若疊層母排內(nèi)部無(wú)缺陷，當(dāng)電壓升高一定值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致外部爬電距離先失效，若內(nèi)部先失效，則判斷存在缺陷。

4）注塑成型工藝分析。母排定位示意圖如圖3所示，正負(fù)母排間定位柱預(yù)先成型，通過(guò)定位柱對(duì)正負(fù)母排相對(duì)位置定位后進(jìn)行整體注塑，雖然定位柱與注塑料為同種材料，但存在二次注塑問(wèn)題，熔接線處可能產(chǎn)生缺陷。

表2 故障復(fù)現(xiàn)耐壓擊穿試驗(yàn)

圖3 母排定位示意圖

綜上所述，確定出現(xiàn)故障的主要原因?yàn)槎ㄎ恢A(yù)先成型，雖與注塑料為同種材料，但存在二次注塑問(wèn)題，熔接線處易產(chǎn)生缺陷，由于行業(yè)內(nèi)目前缺乏對(duì)疊層母排注塑件內(nèi)部缺陷檢測(cè)的有效手段，初期未排查出樣件存在缺陷；次要原因?yàn)楦邷馗邼窦皽囟冉蛔儗?dǎo)致注塑料缺陷擴(kuò)展和材料性能下降。

3.3 改善措施及驗(yàn)證

1）改善措施：取消預(yù)成型定位柱，改為由頂針及模具直接固定正負(fù)銅排，母排改進(jìn)后結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，然后進(jìn)行一體注塑。

圖4 母排改進(jìn)后結(jié)構(gòu)示意圖

2）試驗(yàn)驗(yàn)證

（1）確定注塑材料本身絕緣耐電壓

正負(fù)母排間絕緣件設(shè)計(jì)厚度為1mm，通過(guò)材料物性表及材料廠家試驗(yàn)得知，該疊層母排注塑材料（無(wú)缺陷或少缺陷）在惡劣環(huán)境下耐壓15kV/mm以上。

（2）改善后樣件耐壓擊穿試驗(yàn)

選取改善后樣件5個(gè)，并對(duì)其進(jìn)行特殊處理以保證試驗(yàn)?zāi)褪軗舸╇妷合虏粫?huì)因外部先爬電而導(dǎo)致?lián)舸╇妷涸囼?yàn)失敗。耐壓擊穿電壓均在20kV以上。

（3）根據(jù)樣件自身特點(diǎn)，制定針對(duì)該樣件內(nèi)部的缺陷檢測(cè)方案

由于樣件在正常室溫環(huán)境下，表面爬電距離失效電壓約10kV，即使正負(fù)母排間絕緣材料存在缺陷，如果外部爬電距離先失效，可以認(rèn)為該缺陷不會(huì)影響樣件絕緣效果。另外，因該失效件在逆變器整機(jī)高溫高濕和冷熱沖擊試驗(yàn)條件下失效，因此增加附加高溫高濕和冷熱沖擊的順序環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)樣件數(shù)量根據(jù)來(lái)料質(zhì)量、設(shè)備穩(wěn)定性及工廠環(huán)境等因素綜合確定。

基于以上前提條件，制定樣件內(nèi)部缺陷檢測(cè)判斷標(biāo)準(zhǔn)：耐壓擊穿試驗(yàn)中樣件是否內(nèi)部先擊穿，即若樣件外部爬電距離先失效，則樣件合格，若內(nèi)部先擊穿，則樣件存在不可接受缺陷，繼續(xù)進(jìn)行整改。

本次試驗(yàn)方案為：選取9個(gè)改善后樣件，首先進(jìn)行耐壓擊穿試驗(yàn)檢測(cè)，若樣件全部合格，繼續(xù)對(duì)該批次樣件進(jìn)行冷熱沖擊試驗(yàn)，冷熱沖擊試驗(yàn)后再次進(jìn)行耐壓擊穿試驗(yàn)檢測(cè)，若樣件全部合格，最后進(jìn)行高溫高濕環(huán)境試驗(yàn)，高溫高濕試驗(yàn)完成后，再次進(jìn)行耐壓擊穿試驗(yàn)檢測(cè)，若檢測(cè)結(jié)果全部合格，則認(rèn)為該批次樣件合格，可以正常供貨。若在整個(gè)試驗(yàn)中出現(xiàn)不合格樣件，則需對(duì)不合格樣件進(jìn)一步分析，繼續(xù)優(yōu)化調(diào)整。

本文采用DDJ—50kV電壓擊穿試驗(yàn)儀對(duì)9個(gè)樣件進(jìn)行試驗(yàn)，耐壓擊穿試驗(yàn)檢測(cè)如圖5所示。

圖5 耐壓擊穿試驗(yàn)檢測(cè)

將兩個(gè)測(cè)試夾（電壓輸出端和測(cè)試端）分別夾在待測(cè)樣品測(cè)試端之間。

試驗(yàn)一：擊穿電壓試驗(yàn)

選擇全新樣件，在樣件測(cè)試端之間加載測(cè)試電壓，從2kV一直加至10kV，觀察樣件在此過(guò)程是否出現(xiàn)內(nèi)部擊穿或者外部爬電距離失效現(xiàn)象。其余8個(gè)樣品依次重復(fù)該試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均為外部爬電或者并未出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，全部合格，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)二：冷熱沖擊試驗(yàn)

（1）對(duì)試驗(yàn)一中的全部樣件進(jìn)行冷熱沖擊試驗(yàn)，按照GB/T 2423.22《環(huán)境試驗(yàn) 第2部分：試驗(yàn)方法 試驗(yàn)N：溫度變化》中第7項(xiàng)“試驗(yàn)Na：規(guī)定轉(zhuǎn)換時(shí)間的快速溫度變化”的要求進(jìn)行試驗(yàn)。放入冷熱沖擊箱進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)單個(gè)循環(huán)：環(huán)境箱內(nèi)溫度為-40℃，持續(xù)時(shí)間10min，升溫至85℃，持續(xù)時(shí)間10min，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間≤3min。試驗(yàn)循環(huán)：300次。

（2）對(duì)冷熱沖擊后的試驗(yàn)樣件，再次進(jìn)行擊穿電壓試驗(yàn)，全部合格，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

試驗(yàn)三：高溫高濕試驗(yàn)

（1）將經(jīng)過(guò)試驗(yàn)二后的樣件進(jìn)行高溫高濕試驗(yàn)，因試驗(yàn)設(shè)備不具備在高溫高濕試驗(yàn)的同時(shí)加載測(cè)試電壓的能力，因此未在高溫高濕試驗(yàn)過(guò)程中施加電壓干擾。試驗(yàn)條件：樣件進(jìn)行高溫高濕雙85試驗(yàn)，持續(xù)時(shí)間336h。

（2）在高溫高濕試驗(yàn)結(jié)束后立即（時(shí)間＜10min）重復(fù)試驗(yàn)一，進(jìn)行擊穿電壓試驗(yàn)，樣件全部合格，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

另外，對(duì)改善后樣件重新裝機(jī)進(jìn)行整機(jī)高溫高濕和冷熱沖擊試驗(yàn)復(fù)測(cè)，未再出現(xiàn)類似故障。試驗(yàn)結(jié)果證明改善后方案及缺陷檢測(cè)方案有效。需要說(shuō)明，一旦模具、材料、工廠環(huán)境或者生產(chǎn)線長(zhǎng)期停產(chǎn)重新組織生產(chǎn)等因素變化時(shí)，需按該方案重新進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。

4 結(jié)論

目前行業(yè)內(nèi)缺乏一體化注塑疊層母排內(nèi)部缺陷檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)或方法，針對(duì)這一難題，本文提出了一種利用注塑材料本身絕緣耐電壓特性，對(duì)注塑成型后材料進(jìn)行耐壓擊穿試驗(yàn)，通過(guò)擊穿電壓值與注塑材料本身絕緣耐電壓進(jìn)行對(duì)比，從而判斷一體化注塑樣件內(nèi)部是否存在缺陷的方法。

本文提供了一種缺陷檢測(cè)的思路，在確定具體樣件內(nèi)部缺陷檢測(cè)方案時(shí)，還需要根據(jù)具體樣件特點(diǎn)及產(chǎn)生失效的原理確定是否需要補(bǔ)充其他輔助試驗(yàn)。應(yīng)用實(shí)例表明，本文所提逆變器用一體化疊層注塑母排內(nèi)部缺陷檢測(cè)方法實(shí)用有效。

本文編自2021年第7期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“一種注塑疊層母排內(nèi)部缺陷的檢測(cè)方法”，作者為劉金鋒、王斯博等。