Isoliermaterialien für laminierte Stromschienen – Eine kurze Diskussion über flexible und starre Isolierung und ihre Parameter

Eine laminierte Stromschiene ist eine elektrische Verbindungskomponente, die aus mehreren Schichten von Leitern und Isoliermaterialien besteht. Es wird häufig in leistungselektronischen Systemen mit hoher -Leistungsdichte- und kompakter Leistung eingesetzt, wie z. B. laminierten Sammelschienen mit geringer Induktivität und kupferlaminierten Sammelschienen. Das Hauptziel des Entwurfs besteht darin, die Effizienz und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems zu verbessern, indem die elektrische Feldverteilung und die parasitäre Induktivität durch eine dreidimensionale Struktur optimiert und gleichzeitig die Anforderungen der Hochspannungs- und Hochstromübertragung erfüllt werden. Zu den typischen Anwendungen gehören laminierte Sammelschienen in Hochleistungswandlern und laminierte Sammelschienen für Gleichstromverteilungssysteme.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Strukturell gesehen verwenden laminierte Sammelschienen typischerweise flexible Isoliermaterialien, die mit Leitern laminiert sind, um grundlegende leitfähige Einheiten zu bilden. Diese Struktur wird auch als teilweise laminierte Sammelschiene oder mehrschichtige Verbundstruktur-Verbindungsschiene bezeichnet. Während eines Heißpressvorgangs wird das flexible Isoliermaterial durch Klebeschichten fest mit dem Leiter verbunden, wodurch eine wirksame Abdichtung an den Leiterkanten entsteht und so eine stabile Isolationsleistung auch in komplexen Umgebungen erhalten bleibt. Zu den gängigen flexiblen Isoliermaterialien gehören Polyester (PET) und Polyimid (PI), wobei PET aufgrund seiner umfassenden Leistungsvorteile am häufigsten in dreischichtigen laminierten Stromschienen und standardisierten Stromschienenprodukten verwendet wird.

 

Polyestermaterialien verfügen über eine mäßige Temperaturbeständigkeit (typischerweise 105 Grad) und behalten unter langfristigen Temperaturwechselbedingungen stabile mechanische und elektrische Eigenschaften bei. Seine Dehnung kann 100 % überschreiten, wodurch es weniger anfällig für Risse oder Dickenreduzierung beim Biegen und Kantenbinden ist. Darüber hinaus verfügt PET über einen hohen relativen Tracking-Index (CTI), wodurch das Risiko von Kriechströmen effektiv reduziert wird, was besonders für Hochspannungsanwendungen wie explosionssichere Wechselrichter-Sammelschienen mit hoher Spannung von entscheidender Bedeutung ist. PET erfüllt zwar die Flammschutzklasse (z. B. V0), ist aber auch in verschiedenen Dicken (z. B. 50 μm bis 350 μm) erhältlich, um sich an unterschiedliche Spannungsniveaus und strukturelle Designanforderungen anzupassen und bietet so eine hohe Vielseitigkeit in Anwendungen wie laminierten Sammelschienen für dreistufige Wechselrichter und kundenspezifischen laminierten Sammelschienen für IGBTs.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Im Gegensatz dazu sind Polyimid (PI)-Materialien Hochleistungsisolationsmaterialien mit höherer Temperaturbeständigkeit (RTI übersteigt typischerweise 200 Grad), wodurch sie für Anwendungen geeignet sind, bei denen Hochtemperaturschweißen oder hohe lokale Wärmebelastungen erforderlich sind, wie z. B. Strukturen, bei denen Kondensatoren oder elektronische Komponenten in laminierten Stromschienen für Elektroautos geschweißt werden. PI-Materialien weisen eine höhere mechanische Steifigkeit auf und neigen weniger zur Entspannung bei langfristiger Belastung, was dazu beiträgt, die Stabilität der versiegelten Struktur aufrechtzuerhalten. Allerdings ist ihre CTI-Leistung relativ gering und erfordert in der Regel eine Konstruktion mit größerer Kriechstrecke, wodurch sie besser für Umgebungen mit mittlerer und niedriger Spannung geeignet sind, wie z. B. einige laminierte Sammelschienen mit DC-Verbindungskondensatoren oder laminierte Sammelschienen mit DC-Unterstützungskondensator.

 

In einem vollständig laminierten Sammelschienensystem wird die flexible Isolierung hauptsächlich zur elektrischen Isolierung und Abdichtung zwischen den Leiterschichten verwendet, während starre Isoliermaterialien zur strukturellen Unterstützung und elektrischen Isolierung zwischen den Sammelschienenanordnungen verwendet werden. Die Dicke der starren Isolierung steht normalerweise in direktem Zusammenhang mit der Systemspannung; Ein allgemeines Konstruktionsprinzip ist etwa 1 mm starres Isolationsmaterial pro Kilovolt. In Hochspannungssystemen, wie beispielsweise laminierten Sammelschienen für Back-{5}}Back-to-{6}Konverter mit großer Kapazität oder Wechselrichter-Sammelschienen für den Schienenverkehr und U-Bahn-Systeme, sind typischerweise starre Isolationsschichten mit Dicken zwischen 1 mm und 6 mm erforderlich, um die Anforderungen an die Teilentladungskontrolle und einen langfristig zuverlässigen Betrieb zu erfüllen.

 

Als wichtige Leistungsparameter sind der relative Temperaturindex (RTI) und der relative Tracking-Index (CTI) wichtige Indikatoren zur Bewertung von Dämmstoffen. RTI misst die Fähigkeit eines Materials, seine Leistung unter langfristigen thermischen Alterungsbedingungen aufrechtzuerhalten; Die Bewertung der Lebensdauer basiert typischerweise auf beschleunigten Alterungstests über 20.000 Stunden und folgt einer exponentiellen Beziehung zwischen Temperatur und Lebensdauer. CTI spiegelt die Kriechstromfestigkeit eines Materials in verschmutzten Umgebungen wider und ist für die Kriechstreckenkonstruktion in Hochspannungssystemen von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus wirkt sich die Dehnung des Materials direkt auf seine Anpassungsfähigkeit während der Verarbeitung aus und ist einer der Schlüsselparameter zur Bewertung der Dichtungsleistung und der mechanischen Zuverlässigkeit.

 

Die Leistungsanforderungen an Isoliermaterialien in laminierten Stromschienen variieren je nach Anwendungsbereich erheblich. In industriellen Hochspannungsanwendungen, wie z. B. explosionsgeschützten Hochspannungs-Wechselrichter-Sammelschienen oder großen Stromumwandlungssystemen, liegen die Betriebsspannungen typischerweise zwischen 1.000 V und 6.000 V. Diese Anwendungen erfordern extrem hohe Standards für die Teilentladungskontrolle, die elektrische Isolationsleistung und die lange Lebensdauer. Daher ist eine Kombination aus flexiblen und starren Isolationskonstruktionen erforderlich, wobei Materialien mit hohem CTI die bevorzugte Wahl sind. Im Bereich der neuen Energiefahrzeuge, beispielsweise bei metallisierten Filmkondensator-Sammelschienen mit hoher Wärmeleitfähigkeit für EV-Steuerungssysteme, liegen die Systemspannungen typischerweise unter 800 V. Die Anforderungen an die Isolationsleistung sind vergleichsweise geringer, wobei der Schwerpunkt stärker auf Leichtbauweise, Hitzebeständigkeit und Kompatibilität des Montageprozesses liegt. Daher bieten PI-Werkstoffe bei bestimmten Schweißkonstruktionen gewisse Vorteile.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Darüber hinaus kann in einigen nicht-laminierten Strukturen oder Einzelleiteranwendungen auch eine Pulverbeschichtungsisolierung verwendet werden, z. B. pulver-lackierte laminierte Sammelschienen mit dielektrischen Beschichtungsdickenbereichen zwischen 0,2 mm und 3,00 mm. Dieses Verfahren eignet sich zum Isolieren von Leitern mit komplexen Formen und erzielt eine gute Oberflächenabdeckung und Abdichtung. Aufgrund der Schwierigkeit, die Isolationskonsistenz an Leiterkanten und scharfen Ecken zu kontrollieren, wird es jedoch im Allgemeinen nicht in hochpräzisen laminierten Sammelschienensystemen verwendet, beispielsweise in anspruchsvollen Anwendungen wie kundenspezifischen laminierten Kupfer-Wechselrichter-Sammelschienen für die Elektroinstallation.

 

Insgesamt hängt die Leistung laminierter Sammelschienen als typische passive elektronische Komponenten mit laminierten Sammelschienen stark von der Auswahl der Isoliermaterialien und dem strukturellen Design ab. Durch die entsprechende Abstimmung flexibler und starrer Dämmstoffe und die Berücksichtigung spezifischer Anwendungsszenarien (z. BLaminierte Sammelschienen für komplexe Sammelschieneninstallationen) können eine höhere Leistungsdichte und Systemintegration bei gleichzeitiger Gewährleistung der elektrischen Sicherheit erreicht werden.