一種注塑疊層母排內部缺陷的檢測方法

劉金鋒 王斯博 徐德才 趙慧超 黃智昊

一種注塑疊層母排內部缺陷的檢測方法

劉金鋒 王斯博 徐德才 趙慧超 黃智昊

（中國第一汽車集團有限公司新能源開發院，長春 130011）

新能源汽車要求電動機逆變器功率密度高、結構緊湊、電磁干擾低，為滿足這一要求，內部導電母排通常進行母排疊層設計，一體化注塑疊層母排具有定位精度高、裝配方便、結構簡單等優點，有較高的使用價值。但在實際應用中發現，新能源車用疊層母排多采用拼裝模式，采用一體化注塑方式相對較少，主要原因是疊層母排內部缺陷難以檢測，為解決該問題，本文提出一種一體化注塑疊層母排內部缺陷檢測方法。

疊層母排；一體注塑；內部缺陷

0 引言

由于新能源汽車用電機逆變器安裝空間狹小、使用環境惡劣，通常對其功率密度、結構緊湊性及電磁兼容性等有較高的要求[1]。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，能夠較好地滿足車用逆變器需求，故疊層母排被廣泛應用于車用逆變器[2]。通過對目前可見的文獻及行業調研發現，針對疊層母排的缺陷檢測多集中于外觀缺陷[3-5]，如填充不足、收縮痕、水絲、流痕、熔接線和遲滯現象等，鮮有提及疊層母排內部缺陷的檢測方法。由于疊層母排的相鄰母排間距離較近的特點，一旦疊層母排內部出現絕緣問題，后果極其嚴重。本文主要通過對一體化注塑疊層母排工程應用過程中出現的問題，進行原因分析排查，根據分析產生的原因，調整生產工藝，制定試驗方案，最后順利將產生的缺陷問題解決。基于此成功案例提出一種一體化注塑疊層母排內部缺陷檢測思路，以期在產品早期開發階段排查出一體化注塑疊層母排內部缺陷，避免不必要的損失，確保產品質量及可靠性。

1 疊層母排優勢及實現形式

1.1 疊層母排優勢

疊層母排是由導體層和絕緣層交替疊層排列而成。根據趨膚效應，導體層的電流集中在母排內部相近的兩個平面上[6]，且方向相反，其對外磁場在一定程度上相互抵消，使線路上的雜散電感大幅減小[7]。另外，將導線做成扁平截面，相同截面積下，導線越薄越寬，其寄生電感就越小[8]。除了以上特點外，與傳統電纜相比[9]，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、裝配簡單且節省空間、較高的安全性與可靠性等一系列優點。

1.2 疊層母排實現形式

目前車用逆變器中母排疊層的實現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計比較靈活，無注塑模具成本，工藝相對簡單，但是定位精度差，需人工裝配，不適合大批量自動化生產。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雜結構銅排方案，比如帶有折彎結構的銅排在折彎位置處的絕緣。

母排與獨立絕緣支架拼裝方式是目前比較常用的方案，適合結構相對簡單的母排疊層設計。絕緣支架作為獨立部件，其成型工藝相對簡單且缺陷較易發現，絕緣可靠。但是，該拼裝方式需要人工預合裝；另外，由于母排和絕緣件有一定串動量，定位精度一般，當母線結構比較復雜時，絕緣件結構可能會非常復雜或者需要多個絕緣件拼裝組合，除此之外，由于拼裝方式邊緣無法完全封閉，有異物或者凝露水滴進入的可能，一旦安全裕量不足，有絕緣失效風險。

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，雖然母排構型非常復雜，但整體設計及成型工藝相對簡單，且母排層疊區域完全被注塑絕緣材料包覆，能有效防止異物侵入，具有較高的實際應用價值。但該方案也有一定缺點，由于整個部件一體成型，且缺陷主要出現在絕緣材料層，無法通過如X光或工業成像技術等常規探測手段檢測，一旦帶缺陷部件裝機運行，有可能導致嚴重事故和召回事件。因此，有必要對一體化注塑疊層母排內部缺陷檢測方法進行研究，進而提高產品可 靠性。

2 一體化注塑疊層母排內部缺陷檢測方法

2.1 常規檢測

目前，針對一體化注塑疊層母排內部缺陷進行的常規檢測措施主要有兩種：

1）通過X光或計算機斷層掃描檢查母排的變形情況，進而判斷樣件受力支撐點位是否合理。

2）常規耐電壓試驗。該試驗的電壓值主要用于考察常規電氣絕緣設計，依據測試所需絕緣規格設定，一般根據國家標準或者企業標準確定。

通過上述常規檢測，一般可以排查出絕緣件內部較大的缺陷，但是無法檢測出絕緣件內部較小的缺陷，如微裂紋、二次注塑件邊緣形成的熔接線處缺陷等，這些小的缺陷會隨時間進一步惡化，導致母排間絕緣擊穿。針對這種小的缺陷，目前行業內尚無較好的檢測方法。

2.2 耐壓擊穿試驗

針對上文常規檢測無法檢出的小的缺陷，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思路，即利用注塑材料本身絕緣耐電壓特性，對注塑成型后材料進行耐壓擊穿試驗，通過擊穿電壓值與注塑材料本身絕緣耐電壓進行對比，進而判斷一體化注塑樣件內部是否存在缺陷。其中，注塑材料本身絕緣耐電壓可以通過制作絕緣材料樣件（無缺陷或少缺陷，厚度與母排間絕緣件厚度一致）并檢測其耐電壓獲得，也可將絕緣件物性表中絕緣電壓或者材料供應商已經進行的檢測試驗數據作為 參考。

本文提供一種缺陷檢測的基本思路，針對不同樣件缺陷檢測方案的確定，還需要根據具體樣件特點及產生失效的原理確定是否需要補充其他輔助 試驗。

3 應用實例

3.1 問題出現

以某款逆變器開發過程中一體化注塑疊層母排出現開裂問題為例。逆變器在進行整機高溫高濕試驗和加減速冷熱沖擊試驗中均出現注塑疊層母排開裂現象，損壞樣件如圖1和圖2所示，開裂現象相同，均為負極母排向外側有明顯塑性變形，且負極母排與正極母排之間有明顯的放電燒蝕痕跡。

圖1 開裂件放電燒蝕

圖2 開裂件拆機

3.2 問題分析

針對注塑疊層母排開裂問題進行原因排查，主要從兩個方面著手分析：

1）由于母排先變形導致塑料件開裂，最后造成絕緣失效。

2）由于母排間絕緣先失效，正負銅排間由于放電作用導致母排變形，因母排變形量較大，最終導致塑料件被撐裂。

根據上述思路對故障原因進行一一排查，排查結果見表1。

表1 故障原因排查結果

對表1中可能的故障原因6和7，初步無法實現排除，所以需開展進一步排查工作，具體措施如下：

1）損壞樣件拆解檢查，發現故障位置一致，均位于夾持定位柱邊緣。

2）故障復現。取6個全新樣件，進行2 500V絕緣檢測，全部通過；之后對6個樣件進行模擬高溫高濕試驗后，2 500V耐壓復測，1個樣件絕緣突破，拆解后發現與損壞樣件擊穿點位置相同。

3）故障復現。對9件全新件進行耐壓擊穿試驗，6件內部擊穿，具體擊穿電壓值見表2，拆解后發現擊穿點與損壞樣件擊穿點位置相似，均位于夾持定位柱邊緣。

說明：因注塑疊層母排正負母排間最短爬電距離為8mm，進行耐壓擊穿試驗時，若疊層母排內部無缺陷，當電壓升高一定值時，會導致外部爬電距離先失效，若內部先失效，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，正負母排間定位柱預先成型，通過定位柱對正負母排相對位置定位后進行整體注塑，雖然定位柱與注塑料為同種材料，但存在二次注塑問題，熔接線處可能產生缺陷。

表2 故障復現耐壓擊穿試驗

圖3 母排定位示意圖

綜上所述，確定出現故障的主要原因為定位柱預先成型，雖與注塑料為同種材料，但存在二次注塑問題，熔接線處易產生缺陷，由于行業內目前缺乏對疊層母排注塑件內部缺陷檢測的有效手段，初期未排查出樣件存在缺陷；次要原因為高溫高濕及溫度交變導致注塑料缺陷擴展和材料性能下降。

3.3 改善措施及驗證

1）改善措施：取消預成型定位柱，改為由頂針及模具直接固定正負銅排，母排改進后結構示意圖如圖4所示，然后進行一體注塑。

圖4 母排改進后結構示意圖

2）試驗驗證

（1）確定注塑材料本身絕緣耐電壓

正負母排間絕緣件設計厚度為1mm，通過材料物性表及材料廠家試驗得知，該疊層母排注塑材料（無缺陷或少缺陷）在惡劣環境下耐壓15kV/mm以上。

（2）改善后樣件耐壓擊穿試驗

選取改善后樣件5個，并對其進行特殊處理以保證試驗耐受擊穿電壓下不會因外部先爬電而導致擊穿電壓試驗失敗。耐壓擊穿電壓均在20kV以上。

（3）根據樣件自身特點，制定針對該樣件內部的缺陷檢測方案

由于樣件在正常室溫環境下，表面爬電距離失效電壓約10kV，即使正負母排間絕緣材料存在缺陷，如果外部爬電距離先失效，可以認為該缺陷不會影響樣件絕緣效果。另外，因該失效件在逆變器整機高溫高濕和冷熱沖擊試驗條件下失效，因此增加附加高溫高濕和冷熱沖擊的順序環境試驗，試驗樣件數量根據來料質量、設備穩定性及工廠環境等因素綜合確定。

基于以上前提條件，制定樣件內部缺陷檢測判斷標準：耐壓擊穿試驗中樣件是否內部先擊穿，即若樣件外部爬電距離先失效，則樣件合格，若內部先擊穿，則樣件存在不可接受缺陷，繼續進行整改。本次試驗方案為：選取9個改善后樣件，首先進行耐壓擊穿試驗檢測，若樣件全部合格，繼續對該批次樣件進行冷熱沖擊試驗，冷熱沖擊試驗后再次進行耐壓擊穿試驗檢測，若樣件全部合格，最后進行高溫高濕環境試驗，高溫高濕試驗完成后，再次進行耐壓擊穿試驗檢測，若檢測結果全部合格，則認為該批次樣件合格，可以正常供貨。若在整個試驗中出現不合格樣件，則需對不合格樣件進一步分析，繼續優化調整。

本文采用DDJ—50kV電壓擊穿試驗儀對9個樣件進行試驗，耐壓擊穿試驗檢測如圖5所示。

圖5 耐壓擊穿試驗檢測

將兩個測試夾（電壓輸出端和測試端）分別夾在待測樣品測試端之間。

試驗一：擊穿電壓試驗

選擇全新樣件，在樣件測試端之間加載測試電壓，從2kV一直加至10kV，觀察樣件在此過程是否出現內部擊穿或者外部爬電距離失效現象。其余8個樣品依次重復該試驗，試驗結果均為外部爬電或者并未出現擊穿現象，全部合格，具體數據見表3。

表3 驗證試驗數據

試驗二：冷熱沖擊試驗

（1）對試驗一中的全部樣件進行冷熱沖擊試驗，按照GB/T 2423.22《環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗N：溫度變化》中第7項“試驗Na：規定轉換時間的快速溫度變化”的要求進行試驗。放入冷熱沖擊箱進行試驗，試驗單個循環：環境箱內溫度為-40℃，持續時間10min，升溫至85℃，持續時間10min，溫度轉換時間≤3min。試驗循環：300次。

（2）對冷熱沖擊后的試驗樣件，再次進行擊穿電壓試驗，全部合格，試驗結果見表3。

試驗三：高溫高濕試驗

（1）將經過試驗二后的樣件進行高溫高濕試驗，因試驗設備不具備在高溫高濕試驗的同時加載測試電壓的能力，因此未在高溫高濕試驗過程中施加電壓干擾。試驗條件：樣件進行高溫高濕雙85試驗，持續時間336h。

另外，對改善后樣件重新裝機進行整機高溫高濕和冷熱沖擊試驗復測，未再出現類似故障。試驗結果證明改善后方案及缺陷檢測方案有效。需要說明，一旦模具、材料、工廠環境或者生產線長期停產重新組織生產等因素變化時，需按該方案重新進行試驗檢測。

4 結論

目前行業內缺乏一體化注塑疊層母排內部缺陷檢測的標準或方法，針對這一難題，本文提出了一種利用注塑材料本身絕緣耐電壓特性，對注塑成型后材料進行耐壓擊穿試驗，通過擊穿電壓值與注塑材料本身絕緣耐電壓進行對比，從而判斷一體化注塑樣件內部是否存在缺陷的方法。本文提供了一種缺陷檢測的思路，在確定具體樣件內部缺陷檢測方案時，還需要根據具體樣件特點及產生失效的原理確定是否需要補充其他輔助試驗。

應用實例表明，本文所提逆變器用一體化疊層注塑母排內部缺陷檢測方法實用有效。

[1] 張舟云, 徐國卿, 沈祥林. 新型疊層功率母線在EV電機驅動器中的應用[J]. 電力電子技術, 2005(1): 53-54, 57.

[2] 王青, 盧林輝. 功率變換器疊層母排優化設計[J]. 電力與能源, 2013(1): 34-38.

[3] 陳小鹿, 林家慶, 王海蘭, 等. 電子電器注塑件典型缺陷分析及其解決措施[J]. 廣州化工, 2019, 47(8): 120-124.

[4] 歐相麟, 王大中, 寧凱軍. 汽車注塑件典型缺陷分析及其解決措施[J]. 工程塑料應用, 2014(1): 51-55.

[5] 鄧鳳霞, 劉勇. 汽車注塑件典型外觀缺陷分析及消除對策[J]. 湖北汽車工業學院學報, 2015(1): 47-51.

[6] MOONGILAN D. Skin-effect modeling of image plane techniques forradiated emissions from PCB traces[C]// IEEE 1997 International Symposium on Electro- magnetic Compatibility, 1997: 308-313.

[7] SKIBINSKI G L, DIVAN D M. Design methodology & modeling of low inductance planar bus structures[C]// Proceeding of the Fifth European Conference on Power Electronics and Applications, 1993: 98-105.

[8] 張正南. 迭層母線排[J]. 電源技術應用, 2001(3): 104-106.

[9] 李江勝. 疊層母排的技術優勢及其應用[J]. 電子技術與軟件工程, 2015(5): 142-143.

A method for detecting internal defects of injection molded laminated busbar

LIU Jinfeng WANG Sibo XU Decai ZHAO Huichao HUANG Zhihao

(New Energy Vehicle Development, China FAW Group Corporation Limited, Changchun 130011)

In order to meet the requirements of motor inverter for high power density, compact structure and low electromagnetic interference, etc, the internal conductive busbar is usually designed as a laminated busbar. The injection molded laminated busbar has the advantages of high positioning accuracy, convenient assembly and simple structure. It is has high use value. However, in engineering application, laminated busbar for new energy vehicles mostly adopt multi-component assembly mode, and relatively few adopt integrated injection molding mode. One of the main reasons is that the internal defects of the laminated busbar are difficult to detect. To solve the problem, in this paper, a method for detecting internal defects of injection molded laminated busbar is presented.

laminated busbar; integral injection molding; internal defect

2020-11-16

2020-12-11

劉金鋒（1988—），男，安徽亳州人，碩士，工程師，主要從事新能源車電驅系統設計相關工作。