[發(fā)明專利]絕緣介質(zhì)及其在高電壓設(shè)備中的應(yīng)用

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200980105623.2
• 申請日: 2009-02-18
• 公開（公告）號: CN101952357A
• 公開（公告）日: 2011-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 伊恩·科頓;王寧燕;薩拉·福爾曼;杰弗里·羅伯遜
• 申請（專利權(quán)）人: 曼徹斯特大學(xué)
• 主分類號: C08K3/24
• 分類號: C08K3/24
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 陳平

本發(fā)明涉及基于軟鑄塑用配混料(soft?casting?compound)例如硅氧烷凝膠的、用于防止從高電壓設(shè)備放電的絕緣組合物。具體地，其涉及用于高電壓設(shè)備模塊例如大功率電子設(shè)備模塊的包含鐵電性粒子的絕緣組合物。

在此說明書中，術(shù)語“高電壓設(shè)備模塊”用于描述容納一個或多個高電壓設(shè)備并且典型地具有被絕緣組合物覆蓋的設(shè)備的封殼(housing)。在要求可靠運(yùn)行的應(yīng)用中對在較高電壓使用大功率電子設(shè)備的增加的需求意味著：存在著對高效絕緣組合物的需要，以防止在運(yùn)行過程中從經(jīng)受高電場、經(jīng)受周圍環(huán)境的大功率電子設(shè)備模塊中的位置的放電。可以獲得在5

kV以上的電壓運(yùn)行的大功率電子設(shè)備模塊，并且存在著通過增大電壓或通過小型化改進(jìn)模塊功率密度的動力。這導(dǎo)致存在非常高的電場強(qiáng)度(例如，10kV/mm)，并且很可能的是用于將高電壓設(shè)備從周圍模塊外殼或殼體絕緣的絕緣組合物將擊穿，從而導(dǎo)致電壓對殼體放電或局部放電。而且，在這樣的大功率電子設(shè)備模塊中通常使用方波電壓切換，從而導(dǎo)致局部放電損壞的明顯風(fēng)險。因此，需要對在這種高電壓設(shè)備模塊中使用的絕緣組合物的電絕緣性質(zhì)的改進(jìn)，以允許在小型化和具有微秒或次-微秒(sub-microsecond)上升時間的較高電場梯度上的進(jìn)步。此外，期望制造產(chǎn)量和產(chǎn)品可靠性上的改進(jìn)。例如，高度期望的是能夠?qū)⒔^緣組合物以液體形式插入到預(yù)先制造的大功率電子設(shè)備模塊的外殼中，從而一旦所述組合物處于合適的位置，就將它固化。

這樣的大功率電子設(shè)備模塊典型以120°以上的局部溫度運(yùn)行，并且合適的絕緣組合物應(yīng)當(dāng)能夠在120℃以上保持其性能。

典型模塊可以包括焊接到起散熱器作用的基底上的金屬化陶瓷基底(例如氮化鋁)。可以將高電壓設(shè)備(例如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)/二極管(通常地，硅設(shè)備)或MOSFET或JFET)焊接到陶瓷基底上。然后將導(dǎo)線連接到單獨(dú)設(shè)備接線端以使得外部連接成為可能，然后將整個組件浸入到作為介電絕緣組合物的軟鑄塑用配混料中，以提供抵抗環(huán)境的氣密密封，以及沿基底的表面或受到高電場的模塊的部件之間提供對于電擊穿的抵抗性。單獨(dú)的空氣對于典型存在的高電場(high?field)是不適當(dāng)?shù)碾娊橘|(zhì)。軟介電絕緣材料例如硅氧烷凝膠或交聯(lián)橡膠配混料可以用作用于大功率電子設(shè)備的軟鑄塑用配混料。這樣的配混料具有初始可流動狀態(tài)和其中它們不再可以流動的進(jìn)一步凝膠化狀態(tài)。它們具有的優(yōu)點(diǎn)在于，可以將它們通過傾倒以自由流動液體的形式插入到模塊封殼中，或通過注射作為更粘稠的液體插入到模塊封殼中，以保證與所有的表面進(jìn)行良好接觸，然后可以隨后被固化(典型地，通過在催化劑的存在下加熱)，以提供軟的、凝膠化的介電固體粘彈性材料。通常，將硅氧烷配混料在凝膠化之前脫氣(通過將模塊封殼放置在真空下)，以移除可能導(dǎo)致電擊穿路徑和局部放電的任何空氣泡。在大功率電子設(shè)備模塊內(nèi)可以限定三種介電體系：(i)陶瓷基底，(ii)軟鑄塑用配混料，和(iii)陶瓷和軟鑄塑用配混料之間的界面。在大功率電子設(shè)備模塊中相對于電擊穿通常為最薄弱部分的是后面的界面。

WO?03/001594公開了一種包含緊固在金屬-陶瓷基底上的結(jié)構(gòu)部件的高電壓模塊。該設(shè)備還包含位于基底的外邊緣上的鑄塑凝膠(cast?gel)，所述鑄塑凝膠包括在凝膠中的弱導(dǎo)電粒子或具有高介電常數(shù)(與凝膠相比)例如8的粒子。

DE?199?17?477公開了一種用作高電壓電纜絕緣體的絕緣塑料或橡膠，其包含包埋在其中的高介電常數(shù)的粒子，例如鈦酸鋇。它沒有提及具有可流動和凝膠化狀態(tài)的軟鑄塑用配混料，例如對于在高電壓設(shè)備模塊中的絕緣體有用的那些。

除了別的以外，本發(fā)明的一個目的是提供一種用于在高電壓設(shè)備模塊中使用的絕緣組合物，其與現(xiàn)有技術(shù)組合物相比具有針對電擊穿的更大的抵抗性，特別是對于交變電場，但是沒有明顯降低這種現(xiàn)有技術(shù)軟鑄塑用組合物如硅氧烷凝膠或交聯(lián)橡膠鑄塑用配混料的所需特性。