Au cœur des systèmes de contrôle des robots industriels, la carte de circuit imprimé (PCB) de commande de puissance joue un rôle essentiel. Elle doit non seulement contrôler précisément les dispositifs de puissance IGBT ou GaN, mais aussi garantir une fiabilité et une sécurité absolues dans des environnements industriels difficiles. Pour développer avec succès un tel produit haute performance, un processus d'introduction de nouveaux produits (NPI) structuré et systématique est indispensable. Cet article, du point de vue d'un ingénieur en commande de puissance, explore les défis techniques clés et les stratégies de validation des étapes NPI EVT/DVT/PVT dans le développement des PCB de contrôle de robots industriels.
Commande de grille IGBT/GaN : Blocage de Miller et validation de l'intégrité de la commande dans les étapes NPI
Le circuit de commande de grille est le "système nerveux" des semi-conducteurs de puissance, et ses performances déterminent directement la vitesse de commutation, les pertes et les interférences électromagnétiques (EMI). Dans les premières étapes de NPI EVT/DVT/PVT, en particulier la phase de test de vérification d'ingénierie (EVT), notre tâche principale est d'assurer la fonctionnalité fondamentale de la commande de grille.
Cela inclut :
- Suppression de l'effet Miller : Prévenir l'allumage parasite sous un dv/dt élevé grâce à un étage de sortie totem-pole soigneusement conçu et à une désactivation par tension négative.
- Sélection de la résistance de grille (Rg) : Équilibrer la vitesse de commutation et le dépassement de tension. Pendant l'EVT, plusieurs valeurs de Rg sont testées pour identifier le candidat optimal.
- Stabilité de l'alimentation du variateur: La capacité de réponse transitoire de l'alimentation du variateur doit être suffisamment robuste pour éviter les chutes de tension pendant la commutation, ce qui pourrait nuire aux performances du variateur.
Dans la phase EVT, nous utilisons les services d'assemblage de prototypes pour une itération rapide de la conception. La validation fonctionnelle préliminaire peut être effectuée via des tests à sondes mobiles, qui vérifient rapidement les circuits ouverts/courts-circuits et les connexions de composants de base sans avoir recours à des montages coûteux, accélérant considérablement le débogage en phase initiale. Lors de l'entrée dans la phase de test de vérification de la conception (DVT), nous effectuons des tests de stress sur le circuit du variateur à pleine puissance et à des températures extrêmes pour garantir la stabilité et la fiabilité dans toutes les conditions de fonctionnement.
Protection contre la désaturation (DESAT) : Tests critiques des fonctions de sécurité aux étapes EVT/DVT
La protection contre la désaturation (DESAT) est le mécanisme central de protection contre les courts-circuits dans les dispositifs IGBT et GaN. Elle surveille la chute de tension de conduction (Vce(sat) ou Vds(on)) pour détecter les événements de surintensité ou de court-circuit. Dans le processus NPI EVT/DVT/PVT, la validation de la fonction DESAT est une priorité absolue.
- Phase EVT: Vérifier que le seuil de déclenchement et le temps de réponse du circuit DESAT répondent aux spécifications de conception. Cela est généralement effectué dans un environnement de laboratoire contrôlé en induisant artificiellement des événements de court-circuit.
- Phase DVT: Déclencher à plusieurs reprises la protection DESAT sous différentes températures, tensions de bus et conditions de charge pour valider sa robustesse. De plus, tester la fiabilité du rapport de signal de défaut, de la logique d'arrêt progressif et des mécanismes de réinitialisation.
Pour réaliser ces tests de manière efficace et cohérente pendant la DVT et les Tests de Validation de Production (PVT) ultérieurs, une excellente solution de conception de banc de test (ICT/FCT) est essentielle. Les bancs de test fonctionnels (FCT) personnalisés peuvent simuler diverses conditions de défaut, exécuter automatiquement des séquences de test et enregistrer des données, garantissant une fonctionnalité de protection de sécurité irréprochable dans chaque unité de produit.
Comparaison des Principaux Domaines d'Intérêt des Tests à Travers les Étapes NPI
| Phase | Objectif Principal | Techniques de Test Clés |
|---|---|---|
| EVT (Vérification d'Ingénierie) | Vérifier la faisabilité fonctionnelle et de conception de base | Débogage manuel, test à sonde volante |
| DVT (Vérification de la Conception) | Vérifier les performances, la fiabilité et l'adaptabilité environnementale | Tests environnementaux, tests de stress, tests CEM |
| PVT (Vérification de la Production) | Vérifier la stabilité et la cohérence du processus de fabrication | Conception de gabarits (ICT/FCT), inspection SPI/AOI/Rayons X |
Absorption et Amortissement : Compromis et Disposition des RC/DV/TVS
Lors de l'instant de coupure des dispositifs de puissance, en raison de la présence d'inductance parasite, d'intenses pointes de tension (overshoot) sont générées. Cela ne menace pas seulement la sécurité du dispositif lui-même, mais constitue également une source majeure d'EMI. La conception d'un réseau d'amortissement est une méthode courante pour supprimer de telles pointes. Pendant la phase DVT, nous évaluons systématiquement l'efficacité de différentes solutions d'amortissement (par exemple, RC, RCD, clamping TVS). Il ne s'agit pas seulement d'une question de sélection des composants, mais, plus crucialement, de la disposition du PCB. La boucle d'amortissement doit être aussi compacte que possible, placée près des broches du dispositif de puissance pour minimiser l'inductance parasite. Pour les circuits gérant des courants élevés, la sélection de PCB à cuivre épais (Heavy Copper PCB) peut réduire efficacement l'inductance et la résistance du chemin de puissance.
Pour garantir la qualité de la soudure de ces composants critiques, en particulier dans les agencements à haute densité, l'inspection SPI/AOI/Rayons X (Inspection de la Pâte à Souder/Inspection Optique Automatique/Inspection aux Rayons X) est une mesure de contrôle qualité essentielle. L'inspection aux rayons X peut détecter les vides de soudure ou les ponts sous les boîtiers BGA ou QFN, qui sont des défauts fatals dans les applications de haute puissance.
Échantillonnage du Courant : Shunt/Hall et Intégrité des Petits Signaux
Un échantillonnage du courant précis et rapide est la base pour atteindre un contrôle moteur haute performance (par exemple, FOC). Qu'il s'agisse d'utiliser des résistances shunt ou des capteurs Hall, la transmission de signaux analogiques faibles à l'ADC sans distorsion dans un environnement à fortes interférences électromagnétiques est un défi majeur. L'ensemble du processus NPI EVT/DVT/PVT doit se concentrer sur l'intégrité du signal de l'échantillonnage de courant :
- Disposition (Layout) : Le routage différentiel, les connexions Kelvin et l'éloignement des sources de bruit (par exemple, les nœuds de commutation) sont des principes fondamentaux.
- Filtrage : Conception d'un filtre passe-bas approprié pour éliminer le bruit haute fréquence tout en assurant une bande passante suffisante pour répondre aux exigences de la boucle de contrôle.
- Amplification : Le taux de réjection en mode commun (CMRR), la tension d'offset et la bande passante de l'amplificateur opérationnel affectent directement la précision de l'échantillonnage.
Pour les conceptions qui incluent à la fois des composants SMT et traversants (par exemple, de grandes résistances shunt ou des connecteurs), le soudage à la vague sélectif est un processus de soudage efficace. Pendant la phase PVT, nous validons rigoureusement les paramètres de ce processus pour nous assurer qu'il ne cause pas de dommages thermiques aux composants sensibles à proximité et qu'il garantit la fiabilité à long terme des joints de soudure.
Points clés pour la validation de la fabrication et de l'assemblage
- Stabilité du processus : Assurez-vous que les fenêtres de paramètres de processus (par exemple, soudure par refusion, soudure à la vague sélective) sont suffisamment larges pour s'adapter aux fluctuations normales de la production de masse.
- Couverture des tests : Atteignez la couverture de test la plus élevée possible grâce à la conception de montages (ICT/FCT) et à l'inspection SPI/AOI/Rayons X pour identifier les défauts potentiels dès le début.
- Protection de l'environnement : Pour les robots fonctionnant dans des environnements difficiles, validez les processus d'enrobage/encapsulation pour assurer une protection contre l'humidité, les vibrations et la corrosion chimique.
- Traçabilité : Établissez un système complet de traçabilité des données de production reliant les données de test aux numéros de série des produits - une tâche critique pendant la phase PVT.
Isolation et distances de fuite/d'air : Conception fiable pour des dV/dt élevés
Dans les cartes de commande de puissance, une isolation électrique fiable entre le côté haute tension et le côté basse tension (commande) est essentielle. Il ne s'agit pas seulement d'une exigence de sécurité, mais aussi d'une clé pour assurer le fonctionnement stable du système de commande dans des environnements à fort bruit de mode commun. Les conceptions doivent strictement respecter les normes de lignes de fuite et de distances d'isolement (par exemple, IEC 61800-5-1). Pour la conception de PCB, la résistance à la tension d'isolement peut être améliorée par rainurage ou en utilisant des matériaux de PCB à Tg élevé. Pendant la DVT, des tests rigoureux de haute tension (Hi-pot) et de tension d'impulsion sont effectués pour valider la fiabilité de la barrière d'isolation.
Dans la phase PVT, la cohérence de la production devient critique. Par exemple, bien que l'enrobage/encapsulation améliore considérablement la résistance environnementale, une application incorrecte peut introduire des bulles dans les zones de la barrière d'isolation, compromettant les performances. Ainsi, une validation stricte des processus et une inspection aux rayons X pour les défauts internes sont essentielles. HILPCB offre des services de bout en bout, de la conception à l'assemblage clé en main, garantissant que chaque étape de fabrication répond aux exigences de haute fiabilité.
Conclusion : Construire l'excellence grâce aux processus NPI EVT/DVT/PVT
Le développement de PCB de contrôle de robots industriels est une entreprise complexe et multidisciplinaire. De la réponse transitoire du pilote de grille aux réactions des circuits de protection au niveau de la nanoseconde et à la précision de fabrication au niveau du micron, chaque étape présente des défis. Un processus rigoureux NPI EVT/DVT/PVT est le seul pont reliant les concepts de conception à des produits fiables. En tirant parti du test à sonde volante pendant la phase EVT pour valider rapidement les conceptions, en affinant les performances des produits grâce à des tests rigoureux pendant la phase DVT, et enfin en consolidant les processus de fabrication avec la conception de montages (ICT/FCT) et l'inspection SPI/AOI/rayons X pendant la phase PVT, nous nous assurons que chaque PCB livré aux clients offre des performances exceptionnelles et une fiabilité à toute épreuve. Pour les appareils nécessitant un fonctionnement à long terme dans des environnements difficiles, le processus éprouvé d'enrobage/encapsulation améliore encore la durabilité. Chez HILPCB, grâce à notre profonde expertise en ingénierie et à nos capacités de fabrication avancées, nous nous engageons à aider nos clients à naviguer avec succès tout au long du cycle NPI EVT/DVT/PVT et à développer conjointement la prochaine génération de robots industriels haute performance.