CN111164873B

CN111164873B - 具有搪瓷漆绝缘导体的多层连接器

Info

Publication number: CN111164873B
Application number: CN201880064723.4A
Authority: CN
Inventors: D·罗杰; J-F·瓦克斯蒂恩; S·迪榭纳; G·沃卢
Original assignee: Altuva, University of; Ochi Co
Current assignee: Altuva, University of; Ochi Co
Priority date: 2017-10-06
Filing date: 2018-10-04
Publication date: 2024-03-12
Anticipated expiration: 2038-10-04
Also published as: FR3072218A1; WO2019068969A1; EP3692624B1; CN111164873A; EP3692624A1; FR3072218B1; US11532930B2; US20200335958A1

Abstract

连接器设备的制造方法，除其他外适于实现电能静态转换器之间或内部的连接(功率模块电路、电容器、滤波器、连接器等)，所述设备包括至少两个扁平导体和至少一种绝缘材料，所述方法的显著性在于：单独制备每个扁平导体，以小于所希望的最终厚度的厚度在每个导体上沉积施加至少一层搪瓷漆，进行搪瓷漆层的交联，重复搪瓷树脂层的沉积和交联直到达到所选厚度，并且，通过型板和连接装置组装所述连接器设备的被涂敷漆的导体。

Description

具有搪瓷漆绝缘导体的多层连接器

技术领域

本发明涉及电气设施、连接器和配电的技术领域以及用于制造这种设备的装置和方法的领域。

更具体地，本发明一方面涉及也称为“母线”的电绝缘层压多层连接器等，另一方面涉及所述连接器的制造方法。

背景技术

通常用术语“层压母线”意指一种电互连设备，其功能是电连接一个电能静态转换器的组成元件，而且还确保提供在所述转换器外部的连接技术。

此连接例如在几种情况下发生：

·在功率模块之间，例如：绝缘栅双极晶体管(IGBT:Insulated-gate bipolartransistor)、集成门极换流晶闸管(IGCT:Integrated gate-commutated thyristor)、二极管和如电容器或滤波器的无源元件；在这种静态电能转换器内部，特别是在从50kW(千瓦)到8MW(兆瓦)的典型功率范围内实现，

·当“母线”被直接封装在功率模块内部时：在半导体电路之间，和/或在半导体电路和外部连接(连接端子)之间，特别是在从50kW(千瓦)到200kW(千瓦)的典型功率范围内。

层压的多层连接器同样还具有机械支撑所涉及的各种元件的功能。

层压的多层连接器，通常由扁平导体和绝缘材料的复合体组成。但是，术语“母线”也可以用来表示单个扁平导体。

扁平导体是指这样一种导体，其尺寸之一(最好是其厚度)比其他尺寸小得多。这样的导体可以是平面的或弯曲的。

与传统的连接母线或电缆相比，这种具有不同电相位的扁平导体堆叠证明了需要层压连接器的主要原因：即低电感。

举例来说，层压的连接器可以是几个导电板的组合，每个导电板对应一个电相位。板上的开口允许将设置在一侧的组件与位于下方的另一些板连接。组件最常见是通过螺钉固定安装。还存在允许与转换器外部连接的连接凸耳。

最常见的是，不同导电板之间的电绝缘是通过聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)，聚酰亚胺(PI)……之类的电绝缘膜来实现的。

通常，所述绝缘膜被堆叠在扁平导体上(穿插在导体之间，我们说的是堆叠层压或堆栈的“母线”)或被粘合在扁平导体上(粘合层压的“母线”)。

这些技术具有以下缺点。

在“堆栈”或堆叠的“母线”的情况下，膜不被粘合，应当提供设备几何夹持这些元件至少直到将其安装在转换器中。该设备通常以由电绝缘材料制成的附加固定部件的形式呈现。此外，空气中的绝缘距离限制了基于这种多层连接器制成的转换器的工作电压水平(约1000伏)。

在粘合的情况下，片材最通常是被热粘合，这例如需要使用热压机，成形工具和压力分布柔性膜。这样的设备消耗大量能量，这代表了主要的技术缺点。实际上，消耗能量的仅约1％用来固定扁平导体和薄膜，其余的能量则浪费在压力机和工具的金属框架上。

由于系统的热惯性和由柔性膜形成的热屏障，生产时间也很长(大约为1到2个小时)，因此每小时生产率很低，而对静态转换器的未来需求在增加(可再生能源，电动汽车，智能电网……)。

在绝缘膜粘合时遇到的另一个技术问题涉及设备的绝缘质量，更具体地说，是其边缘(导体四周，导体中所设置的开口边缘……)的绝缘质量。实际上，理想地，带热粘合膜的层压的“母线”被制成平坦的，然后在需要时被折叠。后期折叠存在多种风险：膜破裂，(例如：镀镍)表面涂层破裂。此外，铺膜时，必须注意不要在边缘处形成气穴(膜和导体之间的充满空气的空腔)或空隙(膜粘合不良或膜开胶)，因为这样的缺陷会产生寄生性和高破坏性现象，例如局部放电现象(当电介质场高时尤为严重)，这造成绝缘膜在较长或较短的时间内被刺穿，并由此出现短路现象。因此，非常需要设计具有高的局部放电阈值的多层连接器。

此外，在电路级对速度的日益增长的需求要求实施适当且越来越高效的，例如基于碳化硅或氮化镓的电子组件。这些对“母线”带来了严格的限制，例如：

·所需的电感值甚至低于当前达到的电感值；

·能够承受大于当前遇到的电压的工作电压的性能，

·能够承受大于当前遇到的开关电流的开关电流的性能，

·能够承受高于当前达到的温度的工作温度的性能。

因此，为了满足上述限制，人们目前正在使用性能越来越好的材料制成的膜，例如聚醚醚酮(PEEK)或聚酰亚胺(PI)薄膜，但价格昂贵得多。同时，温度升高也带来了寻找耐高温的膜和粘合剂的问题。

同样地，这些设备的主要技术优势，即：(与传统布线相比)低电感，是其扁平形状的结果。因此，显然，当前的技术发展基于缩小比例的原则：已知通过减小导体和绝缘膜的厚度来实现越来越低的电感值。然而该解决方案具有一个明显的局限性，由于较薄的膜也更易碎，难以处理和/或粘附。

此外已知弱电感可以限制在电流切换期间电子开关中的过电压，并且局部放电出现的阈值被要求越来越高，更加明显的是，通过选择易于移除且不昂贵的高性能材料来改善多层连接器的性能，是该行业的一项重大技术挑战。

还知道(CN 205264989)通过沉积有色热固性绝缘粉末(例如环氧树脂)对导体进行绝缘，该粉末在烘烤后形成绝缘屏障。获得的绝缘层的最小厚度为约100微米。不幸的是，绝缘屏障可能破裂或碎裂，从而导致绝缘缺陷。这是常见的现象，因此制造商增加了柔性绝缘膜。已知US 6265666施加通过静电喷涂热塑性粉末获得的绝缘层。

发明内容

如上所述，确实需要提供在保持合理的制造成本和提高生产率的同时改善构成层压多层连接器的扁平导体(尤其是在边缘处)的绝缘和所选绝缘材料的施加的技术问题的解决方案。

在本申请中描述的本发明通过对根据规定方法制造的不使用膜的多层连接器提供在经济上有吸引力的解决方案和更高性能来响应该需要。

出于该目的，本发明首先涉及制造连接器设备的方法，该连接器设备除其他外适于进行电能静态转换器之间或内部的连接(功率模块电路、电容器、滤波器、连接器等)，所述设备包括至少两个扁平导体和至少一种绝缘材料，所述过程的显著性在于：

·单独制备每个扁平导体，

·在每个导体上施加小于希望的最终厚度的厚度的液体形式的搪瓷漆层，

·进行搪瓷漆层的交联，

·重复搪瓷漆的沉积和交联，直到达到所选厚度，

·通过型板(gabarit)和连接装置组装所述连接器设备的导体。

为了制备导体，首先实施表面处理，诸如去油和/或脱氧。

然后，在导体的要在沉积液体形式漆之前建立电接触的每个区域上施加备用件(épargne)。

这些备用件例如选自包括以下方面的组：塞子(例如由耐热和/或水密和/或机械固定弹性材料和/或非粘合材料制成)、粘合剂(例如可剥离粘合剂)。这些备用件可能具有相同的性质，或者可以被混合。它们可以重复使用或一次性使用。尽管如此，本领域技术人员知道如何根据要制造的设备的需要选择备用件的性质以及它们的数量。

导体可以按施加漆和对其进行交联所需的时间悬挂在支架上或通过备用件保持。

例如，可以通过以空气作为载体介质以薄层方式喷涂，或者通过仅喷射微滴形式的液体搪瓷漆即通过喷涂，施加搪瓷漆。

也可以通过浸渍或喷射漆施加它，液体形式搪瓷漆的粘度和导体的粗糙度然后确定沉积层的厚度。

也可以借助于高速旋转要涂搪瓷漆的导体的旋转轮，通过离心涂敷来进行施加。沉积绝缘层的最终厚度取决于初始绝缘材料的量、其粘度和旋转条件(持续时间、旋转速度和加速度)。

通过沉积薄层，减少偶然局部缺少漆的风险，因为这些层彼此独立地沉积。减少微腔的风险。交联取决于漆的性质。

交联可以通过溶剂蒸发或与固化剂发生化学反应来完成。热输入引发或通常加速该交联。对于光敏树脂，也可以通过UV实施交联。

在实施变型中，层的厚度或树脂类型可能不同。例如，第一薄层的漆可以是聚氨酯性质的，其特征是在铜表面上具有良好的附着力，并且以下的漆是更耐腐蚀的环氧型漆。最后一个是填充有色颜料的漆。

根据用于沉积漆的装置，可以逐个或分批制备导体。

在导体就绪时，它们应当被组装。

为了组装，人们使用安装夹具以将连接器相对于彼此定位，并将导体相对于彼此固定。

根据最初实施，使用由绝缘材料制成的机械部件(螺钉、夹子、嵌件、铆钉等)。

根据第二实施，需要各种形式的粘合剂，例如：胶垫、胶层、胶粘膜。

在实施变型中，将由诸如云母箔或玻璃纤维毡的绝缘材料制成的间隔体插入到先前覆盖有搪瓷漆的两个导体之间。可以使用被称为厚(1～5mm，通常为3mm)的硅酮箔，以补偿厚度差。

优选地，安装夹具具有用于横向定位导体的装置。

本发明还涉及可以通过实现所述方法获得的任何连接器设备。所述连接器设备尤其适于在电能静态转换器(功率模块电路、电容器、滤波器、连接器等)之间或内部进行连接，即，其适于且能够用于进行连接：

·内部转换器，例如：

o在属于同一转换器的至少两个功率模块(如前所述)之间，或

o在功率模块内，例如：在至少两个半导体芯片之间，或在半导体芯片与外部连接之间，或

·内部转换器，例如，在至少两个转换器之间。

如上所述，设备(母线)通常由扁平导体和绝缘材料的复合体制成。

根据本发明，扁平导体优选由铜或铝制成。有利地(但不一定必须)通过诸如镀锡、镀镍、镀银等的表面处理来保护导体。优选地，导体的厚度在1到4毫米之间。

导体的制造方法(例如冲孔、弯曲、喷射、铸造)无关紧要，技术人员知道如何对预期应用选择最适合的方法。

最后，本发明可用于各种用途，诸如电能静态转换器的层压母线、功率半导体模块的内部层压母线，并且申请人特别要求使用通过实现所述方法而获得的提出的连接器设备作为电能静态转换器之间或内部连接器。

附图说明

应通过说明互连设备和相关制造方法的附图的以下描述(通过非限制性示例)清楚地理解本发明。

图1表示具有用于电连接区域的保护备用件的两个独立的导体。

图2表示两个始终独立的导体，并且它们已经经历了该方法所提供的的搪瓷漆操作。备用件已经被取出。放大的截图表示漆层堆叠的细节。

图3表示上搪瓷漆和胶垫组装的两个先前的漆包导体，以形成由搪瓷漆绝缘的导体的多层连接器。

具体实施方式

本发明的一般实施方式的说明

本发明的方法使得能够制造多层连接器设备1。根据图1，该设备1是由至少一个扁平导体2制造的，在该导体2的要建立电接触的每个区域上任选地放置备用件3。备用件3可以被置于导体2的一面上，或者可以在所述导体2中制成的孔4处穿过。

根据制造方法，在沉积漆10之前放置备用件。如图2所示，搪瓷漆10的一个或更多个层11、12被沉积到制备并且可能设有备用件3的导体2上。当备用件3被去除时，获得例如在边缘上涂敷漆的孔4(下导体2上的具有厚边缘的孔4)和其边缘由备用件3防护未涂敷漆的孔(上导体2上的具有薄边缘的孔4)。

优选地，每个导体单独地涂有至少两层的液体形式搪瓷漆10，仅当前一层已经被交联后才创建后续层。

搪瓷漆10是具有与导电体粘合、电阻和热稳定性的特殊性能的树脂。

最优选地，搪瓷漆10包括至少一种无机颗粒形式的填料，颗粒尺寸优选小于150μm，诸如例如：二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化镁(MgO)。由于该无机填料，树脂在局部放电应力下的电性能变化较小。

与要求不存在局部放电的现有技术相反，这种技术上的可能性使得能够在存在局部放电的情况下获得受控的使用寿命。

有利地，所述搪瓷漆10的特征参数选自：

-动态粘度：100至4000mPa.s，和/或

-温度等级：120℃至240℃(120℃/140℃/155℃/180℃/200℃/220℃/240℃)，符合IEC 60085:2007标准，和/或

-大于或等于30kV/mm的介电强度，和/或

-更优选地，化学性质选自：聚氨酯(PUR)、热塑性弹性体(TPE)。

作为例子，搪瓷漆10可以选自VOLTATEX 系列(杜邦)。

搪瓷漆10可通过热作用或UV作用交联。对于后者，可以选择Green IsolightInternational作为示例：

-GII 206，等级为180℃且基于聚酯丙烯酸酯；

-GII 200，等级为120℃且为多元醇改性丙烯酸酯。

为了施加漆10，例如，可以通过抓在备用件3上的钩子悬挂导体2。

然后可以将漆10喷射到导体2上。

该喷射可以以微颗粒的形式、通过使用推进剂气体(例如，空气或诸如氮气的中性气体)的气溶胶效应或通过压力被施加。

也可以将导体(2)浸在浴中或喷上漆(10)。另一种可能性是通过离心涂敷施加漆。

优选地，薄层被沉积以将层的数加倍。技术人员将能够根据所用漆的特性确定实现所期望厚度所需的参数。

优选地，根据本方法，所述设备1的组装阶段包括粘合阶段、机械夹紧阶段中的至少一个阶段。

粘合(粘合步骤)包括例如压粘合和/或热熔粘合，并且通过使用诸如转印膜粘合剂、液体胶水的胶水被实施。

有利地，根据本发明的方法的显著性在于：

·首先，优选通过先浸渍然后沥干，沉积厚度为A的搪瓷树脂10的层(但是，根据所选的漆10，可以使用任何其他合适的方法，例如喷射沉积或离心沉积)，

·然后将所述搪瓷漆10交联，并重复沉积和交联。

技术人员知道如何选择上述步骤循环的迭代次数，以获得涂敷所述扁平导体2的搪瓷漆10的所期望的最终厚度B。其中，迭代次数(以及最终厚度B)是根据设备1应当承受的电压来选择的。

为了使得设备能够在300伏到1250伏的电压下工作，优选地，所述厚度B在30微米到200微米之间。优选地，所述厚度A在3微米到15微米之间。

沉积搪瓷树脂(漆)10的这些不同阶段A的第一个益处是，避免在绝缘层厚度中产生微腔(任何微腔都可能变为局部放电的场所，这对绝缘的电气性能和/或绝缘的耐久性有害)。

第二个益处是，由于每个层相互独立地被沉积，减少意外局部缺少漆10的风险。

第三个益处是，利用每种漆10的特性，例如在导电表面上具有高粘附能力的第一层、具有更高机械性能的后续层或有识别颜色的漆10层(例如，具有有色颜料的漆；这种技术的可能性允许一个导电层与另一个导电层之间的明确识别)。

例如，可以通过溶剂蒸发、通过与固化剂的化学反应或在UV作用下在环境温度下或在烘箱中自发地发生搪瓷漆10的交联。

根据本方法的变型，所沉积的漆10的不同层具有不同的特性和/或厚度。

有利的是，根据该方法的变型(接合步骤)，涂敷有搪瓷漆10的导体2通过由绝缘材料制成的机械部件接合在一起。

在该方法的另一种变型(接合步骤)中，涂敷有搪瓷漆10的导体2通过任何形式的粘合装置接合在一起。

优选地，如图3所示，在涂敷有搪瓷漆10的两个导体2之间插入一个或多个绝缘间隔体，诸如绝缘材料(例如云母)片材(15)。

有利地，根据本发明的方法的显著性在于，在扁平导体2的制备步骤的高级变型中，它还包括例如选自除油、除尘中的至少一个的表面制备步骤。

此外，通过提供在漆中使用水溶剂而不是有机溶剂的可能性，提出的方法使得更容易考虑全球生态发展。

最后，本发明涉及通过上述方法获得的任何设备，包括至少两个扁平导体2和至少一种绝缘材料：漆10(可能为多层形式(11，12))、间隔体(15)。

Claims

1.一种能够实现电能静态转换器之间或内部的连接的连接器设备(1)的制造方法，所述设备(1)包括至少两个扁平导体(2)和至少一种绝缘材料，所述方法的特征在于：

-单独制备每个扁平导体(2)，

-在每个导体(2)上沉积小于所期望的最终厚度的液体形式的搪瓷漆(10)层，

-进行搪瓷漆(10)层的交联，

-重复沉积液体形式的搪瓷漆(10)层和交联直到达到所选厚度，

-通过型板和连接装置组装所述连接器设备(1)的涂敷有搪瓷漆(10)的导体(2)。

2.根据权利要求1所述的连接器设备(1)的制造方法，其特征在于，在沉积液体形式的搪瓷漆(10)之前，在导体(2)的要建立电接触的每个区域上放置备用件(3)。

3.根据前面的权利要求中的任一项所述的连接器设备(1)的制造方法，其特征在于，通过使用气体作为推进剂或通过压力来沉积微小颗粒的搪瓷漆(10)层。

4.根据权利要求1或2中的任一项所述的连接器设备(1)的制造方法，其特征在于，通过浸渍或喷射来沉积搪瓷漆(10)层。

5.根据权利要求1或2中的任一项所述的连接器设备(1)的制造方法，其特征在于，通过离心涂敷来沉积搪瓷漆(10)层。

6.根据权利要求1或2中的任一项所述的连接器设备(1)的制造方法，其特征在于，进行搪瓷漆(10)的交联。

7.根据权利要求1或2中的任一项所述的连接器设备(1)的制造方法，其特征在于，沉积的搪瓷漆(10)的不同层具有不同的特性和/或厚度。

8.根据权利要求1或2中的任一项所述的连接器设备(1)的制造方法，其特征在于，通过由绝缘材料制成的机械部件组装涂敷有搪瓷漆(10)的导体(2)。

9.根据权利要求1或2中的任一项所述的连接器设备(1)的制造方法，其特征在于，通过任何形式的粘合剂组装涂敷有搪瓷漆(10)的导体(2)。

10.根据权利要求1或2中的任一项所述的连接器设备(1)的制造方法，其特征在于，在涂敷有搪瓷漆的两个导体(2)之间插入绝缘材料片材(15)。

11.根据权利要求1或2中的任一项所述的连接器设备(1)的制造方法，其特征在于，通过溶剂蒸发或通过与固化剂的化学反应或通过UV作用来进行搪瓷漆(10)的交联。

12.一种能够实现电能静态转换器之间或内部的连接的连接器设备(1)，所述设备(1)包括至少两个扁平导体(2)和至少一种绝缘材料，所述设备(1)的特征在于它是根据权利要求1至10中的任一项获得的，并且包括至少两个重叠的搪瓷漆(10)层(11；12)。

13.根据权利要求12所述的连接器设备，其特征在于，搪瓷漆(10)包括至少一种无机颗粒形式的填料。

14.根据权利要求12或13所述的连接器设备(1)，其特征在于，搪瓷漆(10)包括有色颜料。

15.借助于根据权利要求1至11中的任一项所述的方法获得的连接器设备或根据权利要求12至14中的任一项所述的连接器设备(1)用作为电能静态转换器之间或内部连接器。