CN101952357A - 绝缘介质及其在高电压设备中的应用 - Google Patents

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CN101952357A CN2009801056232A CN200980105623A CN101952357A CN 101952357 A CN101952357 A CN 101952357A CN 2009801056232 A CN2009801056232 A CN 2009801056232A CN 200980105623 A CN200980105623 A CN 200980105623A CN 101952357 A CN101952357 A CN 101952357A
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王宁燕
萨拉·福尔曼
杰弗里·罗伯逊
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Abstract

一种用于在高电压设备中使用的绝缘组合物，所述绝缘组合物由软介电铸塑用配混料例如硅氧烷凝胶形成，所述软介电铸塑用配混料包含分散于其中的铁电性粒子如钛酸钡。绝缘组合物的1体积％至20体积％的低水平的粒子是高度有效的，而不引起软介电铸塑用配混料当处于其液体状态时的过度增稠。该绝缘组合物对于涂覆、覆盖或包封交变高电压设备如大功率电子设备以防止放电特别有效。

Description

绝缘介质及其在高电压设备中的应用
本发明涉及基于软铸塑用配混料(soft casting compound)例如硅氧烷凝胶的、用于防止从高电压设备放电的绝缘组合物。具体地，其涉及用于高电压设备模块例如大功率电子设备模块的包含铁电性粒子的绝缘组合物。
在此说明书中，术语“高电压设备模块”用于描述容纳一个或多个高电压设备并且典型地具有被绝缘组合物覆盖的设备的封壳(housing)。在要求可靠运行的应用中对在较高电压使用大功率电子设备的增加的需求意味着：存在着对高效绝缘组合物的需要，以防止在运行过程中从经受高电场、经受周围环境的大功率电子设备模块中的位置的放电。可以获得在5
kV以上的电压运行的大功率电子设备模块，并且存在着通过增大电压或通过小型化改进模块功率密度的动力。这导致存在非常高的电场强度(例如，10kV/mm)，并且很可能的是用于将高电压设备从周围模块外壳或壳体绝缘的绝缘组合物将击穿，从而导致电压对壳体放电或局部放电。而且，在这样的大功率电子设备模块中通常使用方波电压切换，从而导致局部放电损坏的明显风险。因此，需要对在这种高电压设备模块中使用的绝缘组合物的电绝缘性质的改进，以允许在小型化和具有微秒或次-微秒(sub-microsecond)上升时间的较高电场梯度上的进步。此外，期望制造产量和产品可靠性上的改进。例如，高度期望的是能够将绝缘组合物以液体形式插入到预先制造的大功率电子设备模块的外壳中，从而一旦所述组合物处于合适的位置，就将它固化。
这样的大功率电子设备模块典型以120°以上的局部温度运行，并且合适的绝缘组合物应当能够在120℃以上保持其性能。
典型模块可以包括焊接到起散热器作用的基底上的金属化陶瓷基底(例如氮化铝)。可以将高电压设备(例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)/二极管(通常地，硅设备)或MOSFET或JFET)焊接到陶瓷基底上。然后将导线连接到单独设备接线端以使得外部连接成为可能，然后将整个组件浸入到作为介电绝缘组合物的软铸塑用配混料中，以提供抵抗环境的气密密封，以及沿基底的表面或受到高电场的模块的部件之间提供对于电击穿的抵抗性。单独的空气对于典型存在的高电场(high field)是不适当的电介质。软介电绝缘材料例如硅氧烷凝胶或交联橡胶配混料可以用作用于大功率电子设备的软铸塑用配混料。这样的配混料具有初始可流动状态和其中它们不再可以流动的进一步凝胶化状态。它们具有的优点在于，可以将它们通过倾倒以自由流动液体的形式插入到模块封壳中，或通过注射作为更粘稠的液体插入到模块封壳中，以保证与所有的表面进行良好接触，然后可以随后被固化(典型地，通过在催化剂的存在下加热)，以提供软的、凝胶化的介电固体粘弹性材料。通常，将硅氧烷配混料在凝胶化之前脱气(通过将模块封壳放置在真空下)，以移除可能导致电击穿路径和局部放电的任何空气泡。在大功率电子设备模块内可以限定三种介电体系：(i)陶瓷基底，(ii)软铸塑用配混料，和(iii)陶瓷和软铸塑用配混料之间的界面。在大功率电子设备模块中相对于电击穿通常为最薄弱部分的是后面的界面。
WO 03/001594公开了一种包含紧固在金属-陶瓷基底上的结构部件的高电压模块。该设备还包含位于基底的外边缘上的铸塑凝胶(cast gel)，所述铸塑凝胶包括在凝胶中的弱导电粒子或具有高介电常数(与凝胶相比)例如8的粒子。
DE 199 17 477公开了一种用作高电压电缆绝缘体的绝缘塑料或橡胶，其包含包埋在其中的高介电常数的粒子，例如钛酸钡。它没有提及具有可流动和凝胶化状态的软铸塑用配混料，例如对于在高电压设备模块中的绝缘体有用的那些。
除了别的以外，本发明的一个目的是提供一种用于在高电压设备模块中使用的绝缘组合物，其与现有技术组合物相比具有针对电击穿的更大的抵抗性，特别是对于交变电场，但是没有明显降低这种现有技术软铸塑用组合物如硅氧烷凝胶或交联橡胶铸塑用配混料的所需特性。
现在已经发现，通过将铁电性粒子包含在软铸塑用组合物例如硅氧烷凝胶或交联橡胶铸塑用配混料中，可以形成具有场依赖性电容率(fielddependent electrical permittivity)的绝缘组合物。在不希望受任何理论束缚的情况下，看起来它们作为电应力-减小材料(electrical stress-reducing material)的功能性取决于增强极化机理(enhanced polarisation mechanism)，这通过在处于高电场强度的铁电性粒子中出现自发域排列(spontaneous domainalignment)的方法进行。看起来在提高的电场强度，这些增强极性效应对得到的复合绝缘组合物提供增强的电容率。已经发现，此增强的电容率不要求粒子在整个绝缘组合物中接触。换言之，粒子不必以如此高得超过粒子的逾渗阙值的水平使得形成粒子接触的连续链存在。当粒子的水平高得超过逾渗阙水平时，这可能导致高的粘度并且可能使填充(filled)的铸塑用组合物难以倾倒或铸塑。铁电性粒子在软铸塑用组合物中的包含不允许电流的流动，因此得到的组合物保持电绝缘。
然而，由于绝缘组合物的应力消除性质看起来通过电场依赖性极化/电容率机理驱使，因此该效应仅在交变场下可以实行。
因此，本发明的第一方面提供一种用于在高电压设备中使用的绝缘组合物，所述绝缘组合物包含软介电铸塑用配混料，其特征在于所述软介电铸塑用配混料包含分散于其中的铁电性粒子。
软介电铸塑用配混料是指一种适合于铸塑到设备外壳或封壳中的配混料。为了避免疑问，如本文中所使用的该术语是指其已经凝胶化或固化以后的配混料，换言之，在软铸塑用配混料的凝胶化完成以后的配混料。此配混料最初将是液体，从而允许通过注射或倾倒或一些其它合适手段将其容易地插入到封壳中。术语铸塑是指使用液体以呈现模具的形状，然后固化液体，使得它保持该形状。而且，当在固化或凝胶化之前作为液体时，软介电铸塑用配混料可以流动，或可以被诱导而流动，以接触在起模具作用的封壳内可以达到的所有设备部件。作为自由流动液体，它还可以简单地通过施加真空而脱气。为了在没有电绝缘损失风险的情况下提供容纳有软介电铸塑用配混料的设备的耐久性和可定向性，于是通过由凝胶化或固化机理将配混料从液体转化成软固体而凝固。这可以通过任何合适的手段实现，所述手段例如由反应物添加或释放(release)诱导的化学反应，热，催化，辐射，或这些中的所有或任何手段的混合。凝胶化反应可以在将配混料放置到封壳中之前开始，条件是配混料保持可流动，以足以倾倒或注射到封壳中。优选软而非脆或高弹性的配混料，因为它们不太可能在运行设备时通过热膨胀引起对设备模块的组件的损坏。它们当受到热诱导应力时还对设备模块内的表面提供改进的粘合。如本文中所使用的术语“凝胶化完成”是指配混料在凝胶化完成以后不再可流动。
优选的软介电铸塑用配混料是硅氧烷凝胶。这种配混料可以商购并且在本领域中是熟知的。典型的商业材料可以作为Q Gel300系列添加固化材料购自
Figure BPA00001205473300041
Silicones Europe。这些是2-部分(2-part)材料，典型包含乙烯基-封端的硅氧烷聚合物，其与硅烷(硅氧烷氢化物(silicone hydride))交联剂混合。配混料之间的反应由铂催化并且是温度敏感的(其中通过高于室温加热典型加速固化)。
在两种硅氧烷与催化剂在例如25℃的初始混合以后，形成自由流动液体，其典型具有约1000mPa.s的粘度(在1秒-1的剪切速率)。可以将铁电性粒子分散在自由流动液体中，所述自由流动液体在固化之前足够粘，从而将它们保持处于分散状态，而没有过量的沉降。然后可以将得到的组合物倾倒或注射到设备模块的封壳中，并且通过在烘箱中在根据制造商的指示的温度加热凝固。
适宜地，本发明的第一方面的绝缘组合物包含1体积％至20体积％的铁电性粒子，优选5体积％至18体积％，更优选10体积％至16体积％。过低的粒子水平不提供足够的电场应力消除行为，而过高的水平可以导致软铸塑用配混料在它的初始未固化状态过于类似固体，从而导致在将绝缘配混料插入到设备外壳中方面的困难，以及差的流动特性，使得绝缘配混料不能流动接触封壳或外壳中的设备的所有表面。过高的铁电性粒子水平还可以抑制软铸塑用配混料的固化反应，特别是当将催化剂如铂用于催化固化反应时。
铁电性粒子适宜地分散在软介电配混料内。这是指当软介电配混料处于它的最终凝胶化状态时，铁电性粒子相对均匀地分散在整个软介电配混料中。换言之，当使用5ml的样品体积取样时，铁电性粒子的体积水平中的标准偏差将小于平均体积的50％，优选小于30％，更优选小于10％。在凝胶化之前，粒子将倾向于在重力下以一定的速率沉降出来，所述速率将由粒度、粒子和铸塑用配混料之间的密度差、和铸塑用配混料在凝胶化之前处于其液体状态时的粘度。各种粘度的软铸塑用配混料可以商购，并且技术人员在选择具有高得足以允许铁电性粒子保持以分散状态悬浮直至凝胶化已经开始的粘度的软铸塑用配混料没有困难。必要时，可以在铁电性粒子分散于软铸塑用配混料中的同时，将软铸塑用配混料部分凝胶化，以提高其粘度。然而，配混料仍应当具有足够低的粘度，使得可以将它定量加入到设备模块的封装外壳(housing enclosure)中，同时仍保持分散的铁电性粒子处于悬浮。优选地，软铸塑用配混料在填充到设备模块的封装外壳中并且优选被脱气以后不久开始凝胶化，使得铁电性粒子不沉积或分层。
如上所解释的，优选的软铸塑用配混料是硅氧烷凝胶，特别优选的是通过加成固化途径固化的硅氧烷凝胶，尽管通过缩合途径固化的硅氧烷凝胶也可以是适宜的。前一种的硅氧烷凝胶具有可以通过加热增强的固化机理，因此相对容易将凝胶化的完成延迟，直至铁电性粒子已经分散在未固化的硅氧烷凝胶中以后。
尽管本发明的绝缘配混料可以含有其它成分例如填料或颜料，但是优选地，绝缘组合物基本上由软铸塑用配混料和铁电性粒子组成，这是指任何其它的成分都以小于3重量％的总水平存在，使得它们不干扰本发明的功能。
适宜地，铁电性粒子具有0.5至20μm，优选1至10μm，更优选1至5μm的重均粒径。典型地，粒子的至少50重量％小于10μm，优选小于7μm，更优选小于5μm。优选地，粒子的至少95重量％小于10μm，优选小于7μm，更优选小于5μm。这可以使用装置例如具有300RF透镜的Malvern MastersizerTM S型号(model S)(测量范围0.05-3480μm)，MalvernMastersizer软件v 2.18和DIF 2012分散单元，通过光散射由粒度分析测量。由伍斯特郡Malvern的Malvern Instruments制造的此仪器利用米氏(Mie)理论计算粒度分布。米氏理论预测光如何被球形粒子散射并且考虑了粒子的折射率。将对于铁电性粒子的恒定密度设想用于从该数据推导重均粒度。
较大的粒度可能导致粒子在软铸塑用配混料固化之前沉降出来，使得粒子没有分散在软铸塑用配混料内。这可以导致沉积或分层。而且，较大的粒子可以导致绝缘组合物内的不均匀电通量分布。大粒子还可以导致较高的场依赖性电通量，从而导致组合物电容率的增大。较小的粒子例如纳米粒子不具有铁电性质，因为粒度对于要采用的所需晶胞(cell)形状而言可能过小。例如，对于钛酸钡，晶胞将是立方的而非四方的，从而导致铁电效应的丧失，使得粒子变得是顺电的。而且，对于直径小于1μm的粒子，在粒子边界或无序表面区域上的缺陷可以减小粒子电容率，从而导致整个绝缘组合物的电容率的伴随减小。
优选地，铁电性粒子包含钛酸钡或基本上由钛酸钡组成。(“基本上由...组成”是指存在小于3％的其它杂质)。钛酸钡是特别有效的铁电材料。惊奇地，尽管钛酸钡已知作为纯材料具有约120℃的居里点，但是已经发现本发明的绝缘组合物保持它们的铁电性质和对放电开始的抵抗性高达140℃的设备运行温度。
适宜地，本发明的第一方面的绝缘组合物基本上没有气泡，这是指其含有小于3体积％，优选小于1％，更优选小于0.1％。这可以从存在于绝缘组合物中的其它材料的已知密度和水平通过计算测量。
本发明的软铸塑组合物的热导率高于未改性的软铸塑组合物的热导率。这提供了帮助消除位于软铸塑组合物和包封设备之间的界面上或附近的热点(hot-spots)的另外优点。本发明的第一方面的所有优选特征也适用于如下所述的本发明的第二和第三方面。
本发明的第二方面提供包含在封装外壳中的高电压设备的高电压设备模块，其中所述设备覆盖有根据本发明的第一方面的绝缘组合物。适宜地，设备的所有表面都被覆有所述绝缘组合物。优选地，封装外壳填充有所述绝缘组合物。
本发明的第三方面提供一种用于制备根据本发明的第一方面的绝缘组合物的方法，所述方法包括下列步骤：
a)提供前体组分，所述前体组分中的至少一种是液体形式，所述前体组分被共混以形成软介电铸塑用配混料，
b)将铁电性粒子在将所述前体组分共混之前分散到所述前体组分的一种或多种中，和/或在所述前体组分共混之后、在所述软介电铸塑用配混料凝胶化完成之前分散到所述软介电铸塑用配混料中，以形成绝缘组合物，
从而铁电性粒子均匀地分散在整个得到的绝缘组合物中。该方法可以包括下列另外步骤：在具有分散于其中的铁电性粒子的软介电铸塑用配混料凝胶化完成之前，将所述软介电铸塑用配混料脱气。
例如，当软铸塑用配混料是包含包括催化剂的两种液体前体组分即硅氧烷A和硅氧烷B的硅氧烷凝胶时，可以将铁电性粒子在将硅氧烷A和硅氧烷B混合在一起之前分散到硅氧烷A或硅氧烷B中，或可以在将硅氧烷A和硅氧烷B混合在一起之前同时分散到硅氧烷A和硅氧烷B中，以形成可固化组合物。另一种方法是在加入铁电性粒子的同时将硅氧烷A和B混合在一起。备选地，可以将硅氧烷A和B混合以形成液体，然后可以在混合物凝胶化完成之前将铁电性粒子分散在混合物中。
本发明的第三方面的方法可以包括下列另外步骤：在软铸塑用配混料凝胶化完成之前，将绝缘组合物插入到高电压设备模块的封装外壳中。
因此，本发明的第四方面提供一种用于在封装外壳中的高电压设备周围提供绝缘组合物的方法，所述方法包括：
a)提供封装在具有进入孔的封装外壳中的高电压设备，
b)提供前体组分，所述前体组分中的至少一种处于液体形式，所述所述前体组分被共混以形成软铸塑用配混料，
c)将铁电性粒子在将所述前体组分共混之前分散到所述前体组分的一种或多种中，和/或在所述前体组分共混之后、在所述软介电铸塑用配混料凝胶化完成之前分散到所述软介电铸塑用配混料中，
d)在具有分散于其中的铁电性粒子的填充的软铸塑用配混料凝胶化完成之前，将具有分散于其中的铁电性粒子的软铸塑用配混料通过进入口插入到封装外壳中，以形成绝缘组合物。
本发明的第四方面的方法可以包括下列步骤：在具有分散于其中的铁电性粒子的软介电铸塑用配混料凝胶化完成之前，将所述软介电铸塑用配混料脱气。此脱气步骤可以在将软铸塑用配混料以其可流动状态插入到封装外壳中之前或之后进行。
现在将参考下列实施例对本发明进行进一步描述：
实施例
实施例1
使用各自具有“U”型外电极和位于“U”中的内电极的10个基底样品，测量当被未填充的硅氧烷凝胶包围时和当被填充有15体积％(对应于52重量％)的钛酸钡粒子的相同硅氧烷凝胶包围时的局部放电的开始。钛酸钡粒子的95重量％具有小于5.0μm的粒度分布，并且50重量％具有小于1.7μm的粒度分布。该测量在约25℃的室温进行。
将两根导线连接到基底上的两个电极。U型电极连接到高电压并且中心电极接地。一旦完成电连接，就将基底放置到塑料封壳中，并且用未填充或填充的硅氧烷凝胶填充封壳。使用的硅氧烷凝胶为获自Silicones的Q-gelTM 310。此硅氧烷凝胶通过将两种组分(A和B)以1∶1的体积比混合而形成。一旦将组分A和B混合，固化就开始，并且凝胶化的速率取决于温度。在将商业硅氧烷树脂的两种前体(A-乙烯基封端聚合物&B-氢化物(hydride)交联剂)混合以后，即刻就测量填充和未填充的凝胶的粘度。将钛酸钡加入到凝胶的部分A中，然后加入部分B。发现得到的液体组合物的粘度在固化之前相对不受钛酸钡的存在影响，从而仍可以将组合物容易地插入到设备封壳中。
将所有的样品在真空下脱气1小时，然后在烘箱中，在90℃固化1小时。然后在测量之前将样品在处于低湿度(RH＝25％)或高湿度(RH＝83％)的环境室中保持56天，其中将温度在20℃至90℃之间循环。这是因为大功率电子设备模块通常不是气密密封的，因此允许凝胶吸收水份将提供更相关的数据。
将根据IEC 60270的常规局部放电测量电路用来：使用处于50Hz的正弦搅拌电压测量放电开始电压、击穿电压和局部放电分布。平均值显示在表1中。
表1
  50Hz放电   50Hz击穿
  未填充的凝胶   8.99kV   10.24kV
  填充的凝胶   11.64kV   14.44kV
  改进百分数   29.5％   41％
实施例2
用50Hz方波电压(25μs上升时间)重复实施例1的实验。结果显示在表2中。
表2
  50Hz放电   50Hz击穿
  未填充的凝胶   6.04kV   9.70kV
  填充的凝胶   8.11kV   10.52kV
  改进百分数   34.3％   8.5％
对于方波激发，数据表明了填充凝胶与未填充凝胶相比，放电开始电压方面的显著改进。
实施例3
使用在被脱气的未填充凝胶或脱气的填充凝胶包围的封壳中的商业3.3kV大功率电子设备模块，同样进行实验。填充凝胶具有10体积％的钛酸钡或15体积％的钛酸钡。对于放电开始的结果显示在表3中，而对于击穿的结果显示在表4中。
表3
  0％(未填充的)   10％   15％
  放电开始(kV)   6.3   8.4   10.1
  相对于未填充凝胶的增加   0   33.3％   60.3％
表4
  0％(未填充的)   10％   15％
  击穿(kV)   10.4   13.5   15.2
  相对于未填充凝胶的增加(％)   0   29.9％   46.2％
清楚的是，浓度越高导致在放电开始电压方面的结果越好。
实施例4
测量含有15体积％(52重量％)的钛酸钡的凝胶的热导率并且发现其为0.22W/m°K，而未填充的凝胶的热导率为0.16W/m°K。这对填充的凝胶所提供的另外的优点在于，较高的热导率可以帮助消除位于凝胶/设备界面上或附近的热点。
应当理解，尽管说明书中的词语如“优选的(preferable)”、“优选地(preferably)”、“优选(preferred)”或“更优选(more preferred)”的使用表明所述的特征可以是适宜的，但是它可以不是必需的，并且缺少这样的特征的实施方案可以预期包含在如后附权利要求中所定义的本发明的范围之内。关于权利要求，意欲的是，当将词语如“一种(a)”、“一种(an)”、“至少一种(at least one)”或“至少一部分(at least one portion)”用于引出特征时，不意在将该权利要求限制到仅仅一个或一种这样的特征，除非在该权利要求中相反地具体表明。当使用语言“至少一部分(at least a portion)”和/或“一部分(a portion)”时，该项目可以包括一部分和/或整个项目，除非相反地具体表明。

Claims (13)

1.一种用于在高电压设备模块中使用的绝缘组合物，所述绝缘组合物包含软介电铸塑用配混料，其特征在于所述软介电铸塑用配混料包含分散于其中的铁电性粒子。
2.根据权利要求1所述的绝缘组合物，其中所述绝缘组合物包含1体积％至20体积％的铁电性粒子。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的绝缘组合物，其中所述软介电铸塑用配混料为硅氧烷凝胶。
4.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘组合物，其中所述绝缘组合物基本上由所述软介电铸塑用配混料和铁电性粒子组成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘组合物，其中所述铁电性粒子具有0.5至20μm的重均粒径。
6.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘组合物，其中所述铁电性粒子包含钛酸钡或基本上由钛酸钡组成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘组合物，所述绝缘组合物基本上没有气泡。
8.一种包含在封装外壳中的高电压设备的高电压设备模块，其中所述设备覆盖有根据前述权利要求中任一项的绝缘组合物。
9.根据权利要求8所述的高电压设备模块，其中所述封装外壳填充有所述绝缘组合物。
10.一种用于制备根据权利要求1至7中任一项所述的绝缘组合物的方法，所述方法包括下列步骤：
a)提供前体组分，所述前体组分中的至少一种是液体形式，所述前体组分被共混以形成软介电铸塑用配混料，
b)将铁电性粒子在将所述前体组分共混之前分散到所述前体组分的一种或多种中，和/或在所述前体组分共混之后、在所述软介电铸塑用配混料凝胶化完成之前分散到所述软介电铸塑用配混料中，以形成所述绝缘组合物，
从而所述铁电性粒子均匀地分散在整个得到的绝缘组合物中。
11.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括下列步骤：在具有分散于其中的铁电性粒子的软介电铸塑用配混料凝胶化完成之前，将所述软介电铸塑用配混料脱气。
12.一种用于在封装外壳中的高电压设备周围提供绝缘组合物的方法，所述方法包括：
a)提供封装在具有进入孔的封装外壳中的高电压设备，
b)提供前体组分，所述前体组分中的至少一种处于液体形式，所述前体组分被共混以形成软铸塑用配混料，
c)将铁电性粒子在将所述前体组分共混之前分散到所述前体组分的一种或多种中，和/或在所述前体组分共混之后、在所述软介电铸塑用配混料凝胶化完成之前分散到所述软介电铸塑用配混料中，
d)在所述具有分散于其中的铁电性粒子的填充的软铸塑用配混料凝胶化完成之前，将所述具有分散于其中的铁电性粒子的软介电铸塑用配混料通过所述进入口插入到所述封装外壳中，以形成所述绝缘组合物。
13.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括下列步骤：在具有分散于其中的铁电性粒子的软介电铸塑用配混料凝胶化完成之前，将所述软介电铸塑用配混料脱气。
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