一, Podstawowe wyzwania i rodzaje awarii izolacji elektrycznej
1. Degradacja izolacji spowodowana czynnikami środowiskowymi
Wysoka wilgotność: Gdy wilgotność przekracza 85% RH, cząsteczki wody tworzą ścieżki przewodzące na powierzchni materiałów izolacyjnych, powodując spadek rezystancji izolacji o ponad 50%.
Cykl temperaturowy: Przy różnicy temperatur od -40 stopni do+85 stopnia różnica we współczynniku rozszerzalności cieplnej materiału może powodować mikropęknięcia, zmniejszając drogę pełzania o 30%.
Zanieczyszczenia chemiczne: Substancje żrące, takie jak mgła solna i plamy olejowe, mogą uszkodzić warstwę izolacyjną, zmniejszając opór powierzchniowy do 1/10 wartości początkowej w ciągu 24 godzin.
2. Typowe tryby awarii
Awaria elektryczna: Przy napięciach powyżej 500 V słabe punkty (takie jak lutowanie pinów) ulegają natychmiastowej awarii, uwalniając dużą ilość ciepła.
Creepage corrosion: The conductive channel formed along the insulation surface continues to develop under high voltage difference (>1000 V/mm), ostatecznie powodując zwarcie.
Akumulacja statyczna: Elektryczność statyczna (do 15 kV) wytwarzana w wyniku tarcia lub indukcji może przedostać się do wrażliwych urządzeń, takich jak tranzystory MOSFET, powodując trwałe uszkodzenie.
2, Wybór i wymagania użytkowe materiałów izolacyjnych
1. Podstawowe materiały izolacyjne
Podłoże PCB: Należy preferować materiały FR-4 (wytrzymujące napięcie większe lub równe 20 kV/mm) lub PTFE (wytrzymujące temperaturę 260 stopni) i należy unikać płyt fenolowych na bazie papieru (wytrzymujących napięcie tylko 5 kV/mm).
Klej uszczelniający: przy użyciu-dwuskładnikowej żywicy epoksydowej (takiej jak EPON 828) o oporności objętościowej 1 × 10 ¹⁵Ω· cm i zakresie odporności na temperaturę od -60 stopni do+180 stopni.
Uszczelka izolacyjna: Wybierz folię poliimidową (PI) (grubość 0,1 mm, napięcie wytrzymywane 10 kV), o stabilnej stałej dielektrycznej (3,4-3,6) i stycznej strat<0.005.
2. Specjalne materiały środowiskowe
Powłoka odporna na wilgoć: spryskaj powierzchnię płytki PCB trzyodporną farbą (np. Humisay 1B31) o współczynniku absorpcji wody mniejszym niż 0,1%, co może zwiększyć rezystancję izolacji o 2 rzędy wielkości.
Arc resistant material: Ceramic coating (Al ₂ O ∝, thickness 50 μ m) is used in high-voltage contact areas, with an arc resistance time of>180 sekund (norma IEC 60112).
Conductive shielding layer: In severe electromagnetic interference scenarios, copper foil shielding (thickness 0.1mm, shielding effectiveness>80 dB@1 GHz) Zapewnij niezawodne połączenie z przewodem uziemiającym.
3, Schemat optymalizacji izolacji w projektowaniu konstrukcyjnym
1. Droga upływu i odstęp elektryczny
Norma bezpieczeństwa: Zgodnie z normą IEC 60664-1, droga upływu dla poziomu zanieczyszczenia 3 (środowisko przemysłowe) przy napięciu roboczym 240 V musi być większa lub równa 3,2 mm, a odstęp elektryczny musi być większy lub równy 2,0 mm.
Środki optymalizacyjne:
Ustaw szczeliny izolacyjne (szerokość większa lub równa 1 mm, głębokość większa lub równa 0,5 mm) wokół styków-wysokiego napięcia
Używanie komponentów SMD zamiast-komponentów z otworami przelotowymi w celu zmniejszenia długości ekspozycji pinów
Ustaw taśmę ochronną (szerokość większa lub równa 2 mm) na krawędzi płytki PCB, aby zapobiec wyładowaniom krawędziowym
2. Projekt uziemienia i ekranowania
Uziemienie jednopunktowe: Na styku obwodów analogowych i cyfrowych stosowana jest izolacja magnetyczna, aby uniknąć zakłóceń pętli uziemienia.
Obróbka warstwy ekranującej:
Metalowa obudowa musi zapewniać niezawodny kontakt z płaszczyzną uziemienia PCB poprzez płytki sprężynowe (rezystancja styku<10m Ω)
Stopień pokrycia warstwy plecionki ekranowanego kabla powinien być większy lub równy 90%, a do zakończenia należy zastosować proces zaciskania 360 stopni
3. Wpływ projektowania termicznego na izolację
Ścieżka rozpraszania ciepła: upewnij się, że radiator znajduje się w odległości większej lub równej 5 mm od obszaru wysokiego-napięcia lub użyj izolowanej podkładki termicznej (takiej jak podkładka Bergquist GAP), aby go odizolować.
Monitorowanie temperatury: Zainstaluj termistory NTC w pobliżu kluczowych komponentów, takich jak układy scalone sterownika podświetlenia, aby uruchomić zabezpieczenie przed obniżeniem wartości znamionowych, gdy temperatura przekroczy 85 stopni.
4, Kluczowe punkty kontrolne procesu instalacji
1. Spawanie i czyszczenie
Lutowanie bezołowiowe: przy użyciu stopu Sn Ag Cu (temperatura topnienia 217 stopni), aby uniknąć pogorszenia właściwości izolacji spowodowanego zanieczyszczeniem ołowiem.
Pozostałości topnika: Użyj topnika nieczyszczącego lub użyj czyszczenia ultradźwiękowego (częstotliwość 40 kHz, czas 3 minuty) po lutowaniu, aby upewnić się, że pozostałości jonów<1.5 μ g/cm ².
2. Mocowanie mechaniczne
Śruby izolacyjne: użyj materiału PA66+30% GF (wytrzymującego napięcie 15 kV), aby uniknąć bezpośredniego wnikania metalowych śrub w płytkę drukowaną.
Kontrola ciśnienia: Kontroluj stałe ciśnienie (0,5-0,7 N · m) za pomocą klucza dynamometrycznego, aby zapobiec nadmiernemu ciśnieniu powodującemu deformację uszczelki izolacyjnej.
3. Proces uszczelniania
Odgazowanie próżniowe: Przed uszczelnieniem poddać koloid obróbce próżniowej (ciśnienie<10kPa, time 10 minutes) to eliminate local insulation weakness caused by bubbles.
Kontrola utwardzania: Dwuskładnikową żywicę epoksydową należy utwardzać w temperaturze 25 stopni przez 24 godziny lub utwardzać ciepłem (80 stopni/2 godziny), aby zwiększyć gęstość usieciowania.
5, Testowanie i weryfikacja wydajności izolacji
1. Rutynowe testy
Test rezystancji izolacji: Użyj megaomomierza 500 V DC, a zmierzona wartość powinna być większa lub równa 100 M Ω (norma IEC 60529).
Test wytrzymywania napięcia: zastosuj napięcie 1500 V AC (1 minuta) lub 2121 V DC (1 sekunda), a prąd upływowy powinien wynosić<5mA (UL 60950 standard).
2. Testy symulacyjne środowiska
Test na wilgotne ciepło: Po umieszczeniu w środowisku o temperaturze 85 stopni i 85% wilgotności względnej na 96 godzin, współczynnik spadku rezystancji izolacji powinien być mniejszy niż 50%.
Test w mgle solnej: po wystawieniu na działanie środowiska rozpylonego 5% roztworu NaCl przez 48 godzin, na powierzchni nie ma produktów korozji.
Cykliczne zmiany temperatury: Wykonaj 20 cykli w zakresie od -40 stopni do +85 stopni bez trwałego pogorszenia właściwości izolacji.
3. Długoterminowa weryfikacja niezawodności
Przyspieszony test żywotności: Po ciągłej pracy przez 1000 godzin w temperaturze 60 stopni, 85% wilgotności względnej i 1,2-krotności napięcia znamionowego, wskaźnik awaryjności powinien być mniejszy niż 0,1%.
Testowanie HALT: identyfikacja słabych punktów projektu w ekstremalnych warunkach, takich jak szybkie zmiany temperatury (-55 stopni do+125 stopni/min) i przypadkowe wibracje (50 g RMS).
6, Typowe przypadki zastosowań
W systemie sterowania określonej platformy wiertniczej wyświetlacz LCD instrumentu musi działać stabilnie w środowisku zanieczyszczonym olejem o temperaturze 120 stopni. Wdrażając następujące środki:
Za pomocą cienkowarstwowej uszczelki izolacyjnej PI (grubość 0,2 mm, odporność na temperaturę 300 stopni)
Spray nano coating on the surface of PCB (contact angle>150 stopni), aby zapobiec przyleganiu plam oleju
Do uszczelnienia używana jest guma silikonowa (Shore A 30, odporność na temperaturę -60 stopni do +200 stopni ).
Zweryfikowano za pomocą „Testu korozji mgły olejowej” zgodnie z normą IEC 60068-2-64
System działa nieprzerwanie przez 5 lat, rezystancja izolacji zawsze utrzymuje się na poziomie powyżej 500M Ω i nie wystąpiły żadne awarie elektryczne ani błędy upływu.
