Materiali isolanti per sbarre laminate: una breve discussione sull'isolamento flessibile e rigido e sui loro parametri

Una sbarra laminata è un componente di connessione elettrica composto da più strati di conduttori e materiali isolanti. È ampiamente utilizzato nei sistemi elettronici di potenza compatti e ad alta-densità di potenza-, come le sbarre collettrici laminate a bassa induttività e le sbarre collettrici laminate in rame. L'obiettivo principale della progettazione è migliorare l'efficienza e l'affidabilità complessive del sistema ottimizzando la distribuzione del campo elettrico e l'induttanza parassita attraverso una struttura tridimensionale, soddisfacendo al tempo stesso i requisiti di trasmissione ad alta tensione e corrente elevata. Le applicazioni tipiche includono busbar laminati in convertitori ad alta-potenza e busbar laminati per sistemi di distribuzione dell'alimentazione CC.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Strutturalmente, le sbarre laminate utilizzano tipicamente materiali isolanti flessibili laminati con conduttori per formare unità conduttive di base. Questa struttura è nota anche come barra collettrice parzialmente laminata o barra di connessione con struttura composita multi-strato. Durante un processo di pressatura a caldo-, il materiale isolante flessibile viene strettamente legato al conduttore tramite strati adesivi, formando una tenuta efficace sui bordi del conduttore, mantenendo così prestazioni di isolamento stabili anche in ambienti complessi. I comuni materiali isolanti flessibili includono poliestere (PET) e poliimmide (PI), dove il PET è il più utilizzato nelle sbarre collettrici laminate a tre-strati e nei prodotti a sbarre collettrici standardizzati grazie ai suoi vantaggi prestazionali completi.

 

I materiali in poliestere possiedono una resistenza alla temperatura moderata (tipicamente 105 gradi), mantenendo proprietà meccaniche ed elettriche stabili in condizioni di ciclo termico a lungo-termine. Il suo allungamento può superare il 100%, rendendolo meno soggetto a strappi o riduzioni di spessore durante la piegatura e la rilegatura dei bordi. Inoltre, il PET ha un elevato indice di tracciabilità relativa (CTI), riducendo efficacemente il rischio di dispersione, che è particolarmente critico per le applicazioni ad alta-tensione come le sbarre collettrici inverter antideflagranti ad alta tensione-. Pur soddisfacendo i gradi di ritardante di fiamma (ad es. V0), il PET è disponibile anche in vari spessori (ad es. da 50 μm a 350 μm) per adattarsi a diversi livelli di tensione e requisiti di progettazione strutturale, offrendo così un'elevata versatilità in applicazioni come sbarre collettrici laminate per inverter a tre- livelli e sbarre collettrici laminate personalizzate per IGBT.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Al contrario, i materiali in poliimmide (PI) sono materiali isolanti ad alte-prestazioni con resistenza alla temperatura più elevata (RTI in genere supera i 200 gradi), che li rendono adatti per applicazioni che comportano saldature ad alta-temperatura o carichi termici elevati localizzati, come strutture che coinvolgono la saldatura di condensatori o componenti elettronici nelle sbarre collettrici laminate per auto elettriche. I materiali PI hanno una maggiore rigidità meccanica e sono meno inclini al rilassamento sotto stress a lungo termine, il che aiuta a mantenere la stabilità della struttura sigillata. Tuttavia, le prestazioni CTI sono relativamente basse e in genere richiedono un design con distanza di dispersione maggiore, che li rende più adatti per ambienti a media- e bassa-tensione, come alcune applicazioni di sbarre collettrici laminate con condensatori di collegamento CC o applicazioni di sbarre collettrici laminate con condensatori di supporto CC.

 

In un sistema completo di sbarre collettrici laminate, l'isolamento flessibile viene utilizzato principalmente per l'isolamento elettrico e la sigillatura tra gli strati dei conduttori, mentre i materiali isolanti rigidi vengono utilizzati per il supporto strutturale e l'isolamento elettrico tra i gruppi di sbarre collettrici. Lo spessore dell'isolamento rigido è solitamente direttamente correlato al livello di tensione del sistema; un principio di progettazione generale è di circa 1 mm di materiale isolante rigido per kilovolt. Nei sistemi ad alta-tensione, come le sbarre collettrici laminate per convertitori-back{5}}a-back di grande capacità o le sbarre collettrici di inverter per il traffico ferroviario e i sistemi metropolitani, sono generalmente necessari strati isolanti rigidi con spessori compresi tra 1 mm e 6 mm per soddisfare i requisiti di controllo delle scariche parziali e di funzionamento affidabile a lungo-termine.

 

Per quanto riguarda i parametri prestazionali chiave, l'indice di temperatura relativa (RTI) e l'indice di tracciamento relativo (CTI) sono indicatori importanti per valutare i materiali isolanti. L'RTI misura la capacità di un materiale di mantenere le prestazioni in condizioni di invecchiamento termico a lungo termine-; la sua valutazione della durata si basa generalmente su test di invecchiamento accelerato superiori a 20.000 ore e segue una relazione esponenziale tra temperatura e durata. Il CTI riflette la resistenza di un materiale al tracciamento in ambienti inquinati ed è fondamentale per la progettazione della distanza superficiale nei sistemi ad alta-tensione. Inoltre, l’allungamento del materiale influisce direttamente sulla sua adattabilità durante la lavorazione ed è uno dei parametri chiave per valutare le prestazioni di tenuta e l’affidabilità meccanica.

 

I requisiti prestazionali per i materiali isolanti nelle sbarre collettrici laminate variano in modo significativo a seconda delle diverse aree di applicazione. Nelle applicazioni industriali ad alta-tensione, come le sbarre collettrici inverter antideflagranti ad alta tensione-o i sistemi di conversione di potenza su larga-scala, le tensioni operative in genere vanno da 1.000 V a 6.000 V. Queste applicazioni richiedono standard estremamente elevati per il controllo delle scariche parziali, le prestazioni di isolamento elettrico e la durata a lungo-termine. Pertanto, è necessaria una combinazione di design di isolamento flessibili e rigidi, con materiali ad alto CTI che rappresentano la scelta preferita. Nel settore dei veicoli a nuova energia, come le sbarre collettrici di condensatori a film metallizzato ad alta conduttività termica per i sistemi di controllo dei veicoli elettrici, le tensioni del sistema sono generalmente inferiori a 800 V. I requisiti prestazionali di isolamento sono relativamente più bassi, con una maggiore enfasi sul design leggero, sulla resistenza al calore e sulla compatibilità del processo di assemblaggio. Pertanto, i materiali PI offrono alcuni vantaggi in specifiche strutture saldate.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Inoltre, in alcune strutture non-laminate o applicazioni a conduttore singolo-, è possibile utilizzare anche l'isolamento tramite rivestimento in polvere, ad esempio sbarre collettrici laminate-verniciate a polvere con spessore del rivestimento dielettrico compreso tra 0,2 mm e 3,00 mm. Questo processo è adatto per isolare conduttori con forme complesse, ottenendo una buona copertura e sigillatura superficiale. Tuttavia, a causa della difficoltà nel controllare l'uniformità dell'isolamento sui bordi dei conduttori e sugli spigoli vivi, generalmente non viene utilizzato nei sistemi di sbarre collettrici laminate ad alta-precisione, come in applicazioni impegnative come le sbarre collettrici laminate con inverter in rame personalizzate per installazioni elettriche.

 

Nel complesso, come i tipici componenti elettronici passivi delle sbarre collettrici laminate, le prestazioni delle sbarre collettrici laminate dipendono fortemente dalla selezione dei materiali isolanti e dalla progettazione strutturale. Abbinando opportunamente materiali isolanti flessibili e rigidi e considerando scenari applicativi specifici (comeBarre laminate per installazioni di sbarre complesse), è possibile ottenere una densità di potenza e un'integrazione del sistema più elevate garantendo al tempo stesso la sicurezza elettrica.