Выбор электроизоляционных материалов для охладителей СПП.

Использование в качестве хладоагента воды с низким электрическим сопротивлением вызывает необходимость обеспечения электрической изоляции СПП от охлаждающей среды. Наиболее приемлемым решением при этом является размещение между корпусом охладителя и токопроводящей шиной электроизоляционного слоя.

Кроме минимального теплового сопротивления электроизоляционный слой должен удовлетворять следующим требованиям:

1) обладать высокой электрической прочностью в воздухе при нормальных и повышенных (до 125° С) температурах как при высоких постоянных напряжениях, так и при переменных с большой длительностью импульса;

2) иметь высокое удельное электрическое сопротивление;

3) иметь минимальные диэлектрические потери;

4) обладать высокой механической прочностью при температуре до 100—125° С;

5) ввыдерживать многократные изменения температуры;

6) обеспечивать возможность плотного соединения с металлом с использованием высокопроизводительных технологических приемов.

Охладители в зависимости от назначения преобразователя могут работать в различных климатических условиях и могут быть подвержены различным механическим нагрузкам. Электроизоляционный слой при этом должен сохранять заданные электрические и термомеханические параметры.

В большей степени удовлетворяют перечисленным выше требованиям прокладки в виде керамических дисков, прокладки из полимерных пленок и полимерные покрытия. Их свойства довольно широко приведены в технической литературе.

Электрическая прочность большинства полимерных покрытий и прокладок из полимерных пленок при нормальных условиях имеет значения . Электрическая прочность керамических материалов составляет , а для нитрида бора . Следует отметить, что после выдержки в воде электрическая прочность полимеров на 20—40% уменьшается. Кроме того, электрическая прочность эпоксидных композиций уменьшается с ростом температуры. Так, при увеличении температуры с 20 до 150° С электрическая прочность эпоксидного компаунда при толщине 0,5 мм уменьшается почти в 2 раза. Электрическая прочность керамических материалов в меньшей степени зависит от воздействия влаги и температуры.

Для большинства рассматриваемых материалов значение, характеризующее их диэлектрические свойства, составляет .

Удельное электрическое сопротивление данных материалов при нормальных условиях колеблется от 1011 Ом см до 10 Ом см (фторопласт-4).

Механические свойства электроизоляционных материалов определяются в основном пределами прочности при сжатии, растяжении, статическом изгибе. Предел прочности при растяжении керамических материалов и эпоксидных смол составляет , фторопласта . Предел прочности при сжатии керамики составляет , а фторопласта — всего лишь . Прочность керамических материалов при статическом изгибе также довольно высокая — предел прочности керамики , предел прочности при статическом изгибе фторопласта-4 составляет . Необходимо учитывать также данные по пределу прочности при ударном изгибе для керамики, который имеет значения для рассматриваемых типов керамики .

В период, эксплуатации, охладителей вредное влияние на электрическую изоляцию оказывает влажность окружающей среды.

Рисунок (см. оригинал)

Рисунок (см. оригинал)

Степень влияния зависит от гигроскопичности последней. Одним из путей предохранения электрической изоляции от воздействия на нее влаги является покрытие ее различными эмалями. Находят применение эмали , глазурь . Выбор защитных покрытий должен комплексно учитывать возможное изменение и других свойств изоляции, например диэлектрических потерь и электросопротивления. Из приведенных эмалей лишь вызывают -кратное увеличение диэлектрических потерь. В то же время все виды покрытий на 20—40% увеличивают поверхностное сопротивление и напряжение пробоя по поверхности керамики, при этом сохраняются или даже повышаются прочностные характеристики изоляции.

Одной из основных характеристик электроизоляционного слоя является тепловое сопротивление, которое пропорционально отношению . Ниже приведены значения коэффициента теплопроводности А некоторых электроизоляционных материалов.

Характерно, что одинаковое тепловое сопротивление имеет диск толщиной 3 мм из керамики и слой с наполнителем BN толщиной 0,15 мм. Чтобы получить одинаковое тепловое сопротивление диска из керамики толщиной 3 мм и слоя с наполнителем, нужно толщину последнего довести до 0,015 мм. Очевидно, при этом электрические свойства этого слоя могут оказаться недостаточными.

При сборке охладителей с электроизоляционным слоем между токопроводящей шиной и корпусом необходимо использовать технологические приемы, обеспечивающие минимальное контактное тепловое сопротивление «электроизоляционный слой — металл».

При использовании полимерных покрытий это требование обеспечивается хорошей адгезией большинства рассмотренных полимерных материалов с металлами. Использование электроизоляционных прокладок (из полистирола, слюды и др.) даже незначительной толщины приводит к существенному росту контактного теплового сопротивления. , прокладка из полистирола толщиной 0,025 мм увеличивает контактное тепловое сопротивление в 3 раза, а прокладка из слюды толщиной 0,075 мм — в 4 раза.

В этом случае уменьшение теплового сопротивления воздушных зазоров обеспечивается введением в зону контакта различных пастообразных диэлектриков, например и др.

Одним из прогрессивных методов соединения керамики с металлами является пайка. Для пайки керамика предварительно металлизируется. На керамику , которая находит широкое применение в промышленности, как правило, наносят покрытие из сплава Мо—Мп, при этом между покрытием и керамикой образуется прочная связь, обусловленная миграцией стеклофазы керамики в металлизированный слой и заполнением пор между зернами молибдена стеклом. Это покрытие имеет толщину мм. Для металлизации керамики в Японии предложена паста, состоящая из или Мо—Мn и 3—4% (по массе) порошка, содержащего более , и обеспечивающая после термообработки получение герметичных и высокопрочных спаев с металлом.

Смачиваемость металлизированной поверхности керамики припоями обычно обеспечивают нанесением второго покрытия. Для большинства используемых мягких припоев металлизированная поверхность керамики покрывается никелем или медью.

Для обеспечения необходимой прочности соединения электроизоляционного слоя с токопроводящей шиной и корпусом охладителя при возможных изменениях температуры важен правильный подбор материалов по значениям коэффициента термического расширения (КТР). В случае различия КТР материалов контакта при их жестком соединении в зоне контакта в условиях изменяющихся температур возникают внутренние напряжения, которые могут привести к разрушению электроизоляционного слоя, ухудшению его электроизоляционных свойств, нарушению контакта и обусловленному этим увеличению теплового сопротивления.

Данные по КТР некоторых материалов, которые могут быть использованы в охладителях СПП, приведены ниже.

Уменьшение напряжений, возникающих в спае медь— керамика, достигается использованием мягких припоев с низкой температурой пайки, созданием переходных слоев, а также выполнением токопроводящей шины и теплопередающей стенки охладителя с компенсаторами температурных расширений.

В качестве изоляционного материала между СПП и охладителем иногда применяют эпоксидные смолы с различными наполнителями. Однако их невысокая теплопроводность, а также возможность возникновения электрического пробоя при уменьшении толщины электроизоляционного слоя обусловливают его значительное тепловое сопротивление. Так, разработанный групповой охладитель для тиристоров с электроизоляционным слоем из эпоксидного компаунда имеет тепловое сопротивление между корпусом СПП и водой .

Известно также много попыток использования в охладителях СПП различных полимерных прокладок, при этом даже незначительная толщина прокладок приводит к существенному увеличению теплового сопротивления охладителей. Применение в качестве электроизолирующей прокладки лавсановой пленки ПЭТФ-1 толщиной 0,1 мм при теплопроводящей площади и охлаждении водой позволило получить тепловое сопротивление охладителя 0,264° . Тиристор с системой охлаждения может быть нагружен лишь 60% его номинального значения. Пленка ПЭТФ-1 — недугостойкая. Использование миканитовых прокладок еще более увеличивает сопротивление охладителя.

Слюда (флагопит, мусковит) находит применение как электроизоляционный материал в охлаждающих устройствах СПП небольшой мощности. Недостатки ее — хрупкость и некоторая неравномерность толщины, приводящая к увеличению контактного теплового сопротивления. Более предпочтительны анодированные алюминиевые шайбы, но анодированное покрытие может быть легко повреждено заусенцами, что приводит к ухудшению электроизоляционных характеристик охладителя.

Для уменьшения теплового сопротивления контакта «изоляционная прокладка — металл» рекомендуется использовать различные теплопроводные пасты, смазки. При использовании пасты контактное тепловое сопротивление уменьшается в 2—3 раза и становится независимым от степени чистоты поверхности. Рекомендуется применять пасту при неплоскостности контактных поверхностей хуже 1—50 и относительно небольших давлениях (меньше .

Электроизоляционная прокладка может быть выполнена состоящей из двух слоев электроизоляционного материала с мелкими беспорядочно расположенными отверстиями для пропускания силиконовой смазки, находящейся между слоями изоляционного материала.

При закреплении прибора на охладителе прокладка сжимается и из отверстий изолирующих слоев выдавливается силиконовая смазка, заполняющая микронеровности контактных поверхностей.

Предлагается также изготовлять прокладки из упругого материала — силиконовой резины, эпоксидной смолы и других с включениями в виде небольших керамических дисков или столбиков, расположенных по концентрическим окружностям. Торцы столбиков лежат в плоскостях прокладки или немного выступают над ними.

Эффективным решением является установка СПП на кольцевую прокладку из фторопласта толщиной и шириной мм. Зазор заполняется пастой .

С увеличением единичных мощностей разрабатываемых приборов и необходимостью уменьшения теплового сопротивления электроизоляционного слоя перспективным является использование в качестве электрической изоляции керамических материалов, имеющих высокую теплопроводность.

В охладителях СПП из керамики для СПП таблеточного исполнения токоотвод изолирован от охлаждающей воды керамической пластиной толщиной 1,5 мм. Корпуса охладителей изготовлены из керамики. При расходе воды тепловое сопротивление одной стороны охладителя составляет 0,1° .

Для снижения контактного теплового сопротивления между пластинами из и корпусом (шиной) в контактное пространство рекомендуется вводить теплопроводные пасты или осуществлять соединение керамики с элементами охладителя посредством пайки. Для пайки керамики с металлом используются медно-серебряные припои.

Появление электроизоляционного слоя и дополнительных контактных тепловых сопротивлений между ним, корпусом и шиной существенно усложняет процесс переноса тепла в охладителях.

Для изучения теплопереноса через электроизоляционный слой, а также возможностей и эффективности использования керамических материалов в охладителях СПП был проведен цикл исследований. Между токопроводящей шиной и корпусом модели охладителя помещался электроизоляционный слой из различных материалов — керамики , полиамидной пленки, композиций на основе эпоксидной смолы и др. Медные контактирующие поверхности шины и корпуса были выполнены по восьмому классу, керамические диски, не металлизированные по контактным девятому классу. Неплоскостность контактирующих поверхностей не превышала 0,015 (керамика) и 0,06 мм (медь).

Таблица 7.15. Тенловые характеристики электроизоляционных материалов при различных контактных соединениях

Усилие прижима СПП к токопроводящей шине составляло 5000 H. Толщина шины обеспечивала выравнивание теплового потока по радиусу электроизоляционного слоя. В целях уменьшения контактного теплового сопротивления в контактное пространство вводились теплопроводная паста или приборное масло.

Тепловые сопротивления электроизоляционного слоя для наиболее часто применяемых материалов даны в табл. 7.15. Там же приведены данные по контактному тепловому сопротивлению R кои и указано, каким образом обеспечивается контакт между электроизоляционным слоем и прилегающими к нему шиной и корпусом.

При наличии осевых нагрузок, которые неизбежны в процессе сборки СПП с охладителем, и при воздействии ударных нагрузок возможно разрушение, растрескивание керамики, что приводит в условиях повышенной влажности к снижению электрического сопротивления изоляции. Выполнение конструкции охладителя более жесткой позволяет устранить указанный недостаток. Испытываемые образцы с керамической электроизоляцией, припаянной к шине и корпусу припоем , а также приклеенной с помощью клея на основе смолы , выдерживают осевые усилия сжатия до 20000 Н, вибрационные нагрузки по ГОСТ 16962-71 третьей степени жесткости и воздействие одиночных ударов с ускорением длительностью .