Analyse des Isoliermaterials für laminierte Sammelschienen: Wie wirken sich flexible und starre Isolierungen auf die Systemleistung aus?

Mit der rasanten Entwicklung neuer Energiefahrzeuge, Energiespeichersysteme, Schienenverkehr und industrieller Frequenzumwandlungsausrüstung sind laminierte Stromschienen zu wichtigen leitfähigen Verbindungskomponenten in Hochleistungselektroniksystemen geworden. Ob es sich um eine laminierte Stromschiene für Elektroautos, eine laminierte Stromschiene in einem Hochleistungswandler oder eine kundenspezifische laminierte Stromschiene für IGBTs handelt, ihre Leistung hängt nicht nur vom Leiterdesign, sondern auch stark von der Auswahl der Isoliermaterialien ab.

 

Das Isolationssystem hat direkten Einfluss auf die Spannungsfestigkeit, die Teilentladungsleistung, die Lebensdauer und die Gesamtzuverlässigkeit der Sammelschiene. Das Verständnis der Eigenschaften flexibler und starrer Isolierung ist für die Entwicklung hochleistungsfähiger laminierter Sammelschienen mit geringer{2}}Induktivität von entscheidender Bedeutung.

 

 

 

Eine laminierte Sammelschiene ist ein leitfähiges Verbindungssystem, das aus mehreren Schichten von Leitern und Isoliermaterialien besteht und zur typischen Multi-Layer Composite Structure Connection Bar-Struktur gehört.

 

Durch dichtes Stapeln der positiven und negativen Leiter und deren Isolierung mit einer Isolierschicht kann die Schleifeninduktivität effektiv reduziert, die Leistung der elektromagnetischen Verträglichkeit des Systems verbessert und Energieverluste reduziert werden. Daher wird es häufig verwendet in:

 

Antriebssysteme für Elektrofahrzeuge
Energiespeicherkonverter (PCS)
Industrielle Frequenzumrichter
Photovoltaik-Wechselrichter
Energiesysteme für den Schienenverkehr
Hochleistungs-Stromversorgungsgeräte

 

In mehrschichtigen Strukturen wie dreischichtigen Sammelschienen sorgt das Isoliermaterial nicht nur für elektrische Isolierung, sondern auch für mechanischen Schutz und Schutz vor Umwelteinflüssen.

 

 

 

Derzeit verwenden die meisten teilweise laminierten Stromschienen flexible Isolierfolien, die auf Kupferleiter laminiert sind.

 

Flexible Isoliermaterialien werden typischerweise durch einen Heißpressprozess fest mit dem Leiter verbunden und bilden eine vollständige Abdichtung an den Leiterkanten, wodurch die Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und Hitze, Verschmutzung und Alterung verbessert wird.

 

PET-Polyester-Isoliermaterial

PET ist eines der am häufigsten verwendeten Isoliermaterialien für mehrschichtige Stromschienen.

Zu seinen Hauptmerkmalen gehören:

Langfristige Betriebstemperatur bis zu 105 Grad;
Ausgezeichnete Duktilität; Weniger anfällig für Risse beim Biegen.
Hervorragende Oberflächenqualität;
Gute flammhemmende Eigenschaften; Relativ günstige Kosten.

Aufgrund seines hohen CTI (Relative Tracking Index) eignet sich PET besonders für Hochspannungsanwendungen.

PET-Materialien werden häufig in laminierten Sammelschienen von Subway und industriellen Stromversorgungssystemen verwendet.

PI-Polyimid-Isoliermaterial

PI ist ein leistungsstarkes, hoch{1}temperaturbeständiges-Isoliermaterial.

Zu seinen Hauptvorteilen gehören:

Langfristige Temperaturbeständigkeit über 200 Grad;
Ausgezeichnete thermische Stabilität;
Gute Schweißbarkeit; Hohe inhärente Flammhemmung.

Daher bieten PI-Materialien erhebliche Vorteile bei laminierten IGBT-Sammelschienen und Anwendungen, die das Löten von Kondensatoren, Induktivitäten und anderen Komponenten erfordern.

Allerdings haben PI-Materialien relativ schwächere Oberflächenverfolgungseigenschaften und sind teurer als PET. Sie werden typischerweise eher für spezielle Anwendungen als für herkömmliche Designs verwendet.

 

 

Die flexible Isolierung bedeckt in erster Linie den Leiter, während die starre Isolierung hauptsächlich der strukturellen Isolierung zwischen den Leiterschichten dient.

 

In Hochspannungssystemen reicht die Dünnschichtisolierung allein häufig nicht aus, um die Anforderungen an Teilentladungen und Kriechstrecken zu erfüllen, sodass zusätzliche starre Isolationsschichten erforderlich sind.

 

Zu den gängigen starren Isoliermaterialien gehören:

Glasfaserverstärkte Polyesterplatte

Epoxid-Glasfaserplatte

Hoch-isolierende Verbundwerkstoffe

Die Dicke der starren Isolierung wird typischerweise anhand der Betriebsspannung des Systems bestimmt.

 

Im allgemeinen technischen Design:

Für jede Erhöhung der Betriebsspannung um 1 kV ist ein Isolationsabstand von ca. 1 mm erforderlich.
Je höher das Spannungsniveau, desto größer ist die Dicke der starren Isolierung.
Hochspannungssysteme erfordern möglicherweise Isolationsstrukturen mit einer Dicke von 3–6 mm oder sogar noch mehr.

 

Daher ist in Hochspannungsanwendungen wie der explosionsgeschützten Hochspannungs--Wechselrichtersammelschiene die starre Isolierung zu einer unverzichtbaren und entscheidenden Komponente geworden.

 

 

RTI-Relativer Temperaturindex

RTI (Relative Thermal Index) stellt den höchsten Temperaturwert dar, bei dem ein Isoliermaterial über längere Zeiträume kontinuierlich betrieben werden kann.

Dieser Index wird verwendet, um die Fähigkeit des Materials zu bewerten, die mechanische Festigkeit und die elektrischen Eigenschaften unter langfristigen thermischen Alterungsbedingungen beizubehalten.

Allgemein:

 

Höhere Temperaturen verkürzen die Lebensdauer des Materials.

Bei jedem Temperaturanstieg um 10 Grad kann sich die Lebensdauer des Materials halbieren.

Mit jedem Temperaturabfall um 10 Grad kann sich die Lebensdauer des Materials verdoppeln.

Daher ist bei langfristig betriebenen laminierten Stromschienen für komplexe Stromschieneninstallationen der RTI (Relative Tracking Index) ein entscheidender Faktor bei der Materialauswahl.

 

CTI-Relativer Tracking-Index

CTI bewertet den Widerstand einer Isoliermaterialoberfläche gegenüber Kriechstrom.

Höhere CTI-Werte:

Geringere Kriechstreckenanforderungen;
Stärkere Beständigkeit gegen Kontamination;
Sichererer und stabilerer Betrieb bei hohen Spannungen.

Bei Anwendungen über 1000 V ist CTI oft ein kritischer Parameter für das Isolationsdesign.

 

Verlängerung

Die Dehnung spiegelt die Fähigkeit eines Materials wider, Rissbildung und Ausdünnung während der Dehnung zu widerstehen.

Hohe Dehnung bedeutet:

Bessere Eignung für komplexe Biegeprozesse;
Einfachere Leiterkantenabdichtung;
Höhere Isolationssicherheit.

PET-Materialien weisen typischerweise eine Dehnung von mehr als 100 % auf, während PI-Materialien im Allgemeinen eine geringere Dehnung als PET aufweisen.

 

 

Industrielle Energiesysteme

Zu den industriellen Anwendungen gehören typischerweise:

Betriebsspannungen von 1000 V bis 6000 V;
Langfristige-Betriebsanforderungen;
Hohe Teilentladungsanforderungen;
Strenge Kriechstreckenvorgaben.

Daher verwenden laminierte Sammelschienen für dreistufige Wechselrichter und große Wandler-Bussysteme häufig eine Kombination aus flexibler und starrer Isolierung.

 

Neue Energiefahrzeuganwendungen

Neue Energiefahrzeugsysteme arbeiten typischerweise mit Spannungen, die sich auf Folgendes konzentrieren:

400-V-Plattformen

800-V-Plattformen

Aufgrund der relativ niedrigeren Spannungsniveaus:

Geringere Teilentladungsanforderungen;
In den meisten Fällen ist keine starre Isolierung erforderlich.
Der Fokus liegt auf Leichtbau und Raumausnutzung.

Daher werden bei laminierten Stromschienen für Elektroautos häufig leichte laminierte Strukturen verwendet, um den Anforderungen an eine hohe Leistungsdichte gerecht zu werden.

 

 

 

Neben der herkömmlichen laminierten Isolierung sind auch Pulverbeschichtung und Epoxidbeschichtung gängige Isolierungsmethoden.

 

Diese Prozesse eignen sich für komplexe Strukturen oder Einzelleiteranwendungen und erreichen Folgendes:

Oberflächenisolationsschutz;
Korrosionsschutz;
Umweltversiegelung.

Für Sammelschienensysteme, die eine niedrige Induktivität und eine hohe Zuverlässigkeit erfordern, bleibt jedoch die laminierte Isolierung die gängige Lösung.

 

 

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Leistungselektroniktechnologie haben sich laminierte Stromschienen von einfachen leitfähigen Verbindern zu entscheidenden Komponenten entwickelt, die Leitfähigkeit, Wärmeableitung, Isolierung und elektromagnetische Optimierung integrieren. Ganz gleich, ob es sich um neue Energiefahrzeuge, den Schienenverkehr oder industrielle Energieumwandlungsanlagen handelt, die richtige Auswahl der Isoliermaterialien wirkt sich direkt auf die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Systems aus.

 

Für modernelaminierte SammelschieneBei verschiedenen Designs ist die flexible Isolierung für eine effiziente Leiterkapselung verantwortlich, während die starre Isolierung die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit erfüllt. Gemeinsam stellen sie den langfristigen stabilen Betrieb des gesamten Energiesystems sicher.