January 19, 2023
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大電流連接器塑膠材料的選擇與應用

近年來隨著數據中心的蓬勃發展,數據中心對於效率及規格的要求也越來越高,也因此材料的選用在數據中心升級的過程中扮演至關重要的角色。塑膠材料廣泛使用於大電流連接器中,主要用於支撐導體,提供絕緣功能,也可以製作各種其他功能零件,比如外殼,卡扣,螺帽等。塑膠材料種類繁多,性能千差萬別,需要根據連接器不同的應用環境和功能需求,選擇合適的塑膠材料。塑膠材料主要特性有:機械性能,電氣性能,耐熱性,耐燃性等。機械性能包含:抗拉強度(Tensile Strength),彎曲強度(Flexural Strength),衝擊強度(Impact Strength),硬度(Hardness)等,電氣性能包含:體積電阻率(Volume Resistivity),相對電痕指數(Comparative Tracking Index,簡稱CTI)等,耐熱性包含:熱變形溫度(Heat deflection temperature), 相對熱指數(Relative Thermal Index,簡稱 RTI),耐燃性:可根據UL94標準,分為HB、V-2、V-1、V-0、5VA、5VB等。貿聯基於自身豐富的產品開發經驗,已建立其對於不同應用環境及產業需求選用不同塑膠膠材料的專業知識與開發流程。

數據中心用大電流連接器

隨著雲端服務器的發展,人類已越來越快進入到大數據社會。而云端服務器的海量數據運算能力離不開充足的電能供應,大電流連接器在數據中心裡運用越來越重要。不同於光伏連接器一直在戶外使用,數據中心用的大電流連接器應用環境相對溫和,一般是在有空調的室內使用,不需要很高的防水性能,不需要耐紫外線照射。溫升性能是此類連接器的首先要考慮的性能,而溫升測試的上限溫度不能高於塑膠材料的RTI值,因此需要選擇較高RTI值的塑膠材料。考慮到防火安全性,塑膠材料的防火等級建議選擇V0級或以上。另外,塑膠材料還需要有好的耐衝擊性能以通過跌落測試。塑膠材料的CTI值影響產品的爬電距離,見下表,需根據產品電壓和產品實際結構選擇CTI值合適的塑膠材料。



圖1 BizLink 大電流連接器

浸沒式冷卻連接器(immersion cooling)

隨著數據中心的運算能力增加,發熱也越來越大,為了更好的散熱,越來越多的數據中心採用浸沒式液冷散熱設計,將整個服務器浸沒在專用的冷卻液中。而應用於浸沒式冷卻的連接器,由於長期浸泡於冷卻液中,需考慮冷卻液對塑膠材料的腐蝕,對塑膠材料的物理性能的影響,以及塑膠材料自身是否會析出導致污染冷卻液。通過將塑膠材料放入冷卻液中進行浸泡測試,對比測試前後塑膠材料成分變化和冷卻液的成分變化,以及對比測試前後塑膠材料的物理性能變化,如抗拉強度,彎曲強度等變化,確認塑膠材料是否合適。

光伏連接器

除數據中心外,能源亦是經濟發展下另一個迫切待解的議題。隨著全球能源危機加劇和傳統能源的環境污染問題日益加重,太陽能光伏發電已經成為重要新能源之一。光伏發電是通過太陽能電池板接受陽光的照射,將太陽能轉換為電能,並通過電線和連接器導出,多塊太陽能電池板通過連接器串/並聯以達到發電系統設計的電壓和電流。由於太陽能電池板的安裝是長期暴露於戶外,很多電站更是直接建立在戈壁、沙漠等惡劣環境中,光伏連接器也長期直接暴露於戶外,設計壽命一般10年到20年,對防塵和防水性能,耐高/低溫性能和耐紫外線都要有很高的要求。


圖2 光伏電站
 
一般光伏連接器典型參數如下:
額定電壓:直流1000V到1500V,
額定電流: 從15A到90A,
環境溫度: -40℃~+85℃,
防護等級:最小達到IP67級。

光伏連接器典型結構如下,包含公端連接器和母端連接器,由公端主體,公端子,母端主體,母端子,防水圈,螺帽等零件組成,其中公端主體,母端主體,和螺帽使用塑膠材料。


圖3 光伏連接器結構

對於戶外使用的塑膠材料,需要考慮材料的耐紫外照射和耐水解性能,根據光伏連接器安規標準的要求,外殼塑膠材料需通過UL746C標準規定的紫外線暴露測試(Ultraviolet light exposure)和水浸泡測試(Water exposure and immersion)。塑膠材料在自身進行UL認證時,通過此測試後,型號後面會加(f1)後綴。考慮到防火安全性,外殼塑膠材料需符合UL94標準規定的V-0或5VA耐熱等級。相對熱指數(Relative Thermal Index,簡稱 RTI)是指材料在長時間暴露於高溫下時保持特定性能(物理、電學等)的能力,考慮到光伏連接器的環境溫度,RTI應大於等於105℃。以上防火等級和RTI值與材料的最小厚度有關,因此要根據實際產品結構的最小厚度來確定。相對電痕指數(Comparative Tracking Index,簡稱CTI)是痕量材料對電痕的易感性,CTI這些參數非常重要,而在選擇材料時往往容易被忽略,根據IEC標準,材料按CTI值被分成以下4類。

材料組I: CTI ≥600
材料組II: 400 ≤ CTI < 600
材料組IIIa: 175 ≤ CTI < 400
材料組IIIb: 100 ≤ CTI < 175

不同CTI材料對應的爬電距離(Creepage distance)見下表。根據產品本身結構的限制,一般來說光伏連接器要選擇CTI≥400的材料才能滿足爬電距離的要求。



另外,由於戶外使用,不可避免受到冰雹的衝擊,因此材料必須有好的耐低溫衝擊能力,具體來說,要求產品在-35℃的條件下承受6.78J的衝量。綜合來說,目前比較適合的材料有:PPE/PPO材料,PC材料,和PA材料。

每種連接器都有自身的應用環境,如室內,室外,空氣及冷卻液中。如何依照應用環境和功能需求,選用最適當的材料以最大化使用效率並維持穩定且優異的品質,是貿聯始終如一的承諾。
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