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電學(xué)文章
如何降低功率組件發(fā)生絕緣質(zhì)量異常(局部放電)?

發(fā)布時(shí)間: 2024-05-31   瀏覽次數(shù):   作者:卓定科技

當(dāng)絕緣體內(nèi)存在氣泡(Void)或絕緣體間存在氣隙(Air gap)時(shí),在正常工作電壓下氣泡或氣隙容易發(fā)生局部放電(Partial Discharge,PD),導(dǎo)致絕緣劣化造成絕緣質(zhì)量異常,例如:樹(shù)酯內(nèi)有氣泡或漆包線間的氣隙,因?yàn)榭諝獾慕殡娤禂?shù)較低,氣泡或氣隙的電容量比原絕緣材料低,所以會(huì)分到相對(duì)高比例的電壓,且在相同間隙距離條件下,氣泡或氣隙的崩潰電壓比絕緣材料的低。此類放電發(fā)生于氣泡或氣隙等局部瑕疵, 但與其串行之絕緣材仍維持正常的放電現(xiàn)象稱之為局部放電。

當(dāng)對(duì)待測(cè)物施加足夠的測(cè)試電壓時(shí),利用局部放電偵測(cè)功能量測(cè)放電的電荷量(pC),確認(rèn)待測(cè)物的絕緣材料是否有絕緣質(zhì)量異常的潛在風(fēng)險(xiǎn)。故施加一個(gè)略高于組件最高的額定工作電壓對(duì)組件做局部放電測(cè)試,確保組件長(zhǎng)時(shí)間在正常工作電壓下的可靠性(無(wú)持續(xù)性的局部放電)。

 

▲圖?. ?達(dá)驅(qū)動(dòng)控制線路圖


功率組件中的IGBT與SiC-MOSFET被應(yīng)用于各種領(lǐng)域(譬如:電子產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)備、航空航天、軍用設(shè)備、鐵路設(shè)備、新能源、智慧電網(wǎng)、新能源車等),且經(jīng)常被使用于高功率/大電流的電源轉(zhuǎn)換/控制線路,工作電壓通常都是數(shù)千伏特,由于會(huì)被切換ON/OFF狀態(tài)的關(guān)系,模塊中的閘極(Gate)與集極(Collector)或汲極(Drain)之間,以及模塊與散熱板之間會(huì)出現(xiàn)PWM的高電壓差。當(dāng)高電壓跨越在含有氣泡、氣隙或裂縫的絕緣材料時(shí),就有較大的可能性會(huì)發(fā)生局部放電,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的工作后會(huì)慢慢使絕緣材料逐漸劣化,進(jìn)而造成絕緣材料的絕緣失效導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。另外,每個(gè)模塊的閘極(Gate)與射極(Emitter)或源極(Source)之間工作偏壓可能是由各別的變壓器所提供,而變壓器的一二次側(cè)之間也會(huì)存在高頻的高電壓差。當(dāng)變壓器一二次側(cè)的絕緣能力不足,持續(xù)性異常放電的突波也可能會(huì)使數(shù)字控制動(dòng)作異常及導(dǎo)致晶體管故障。



▲圖二. IGBT氣隙與裂縫的示意圖                                                                ▲圖三. 劣化路徑的實(shí)照


 

另外,每個(gè)模塊的閘極(Gate)與射極(Emitter)或源極(Source)之間?作偏壓可能是由各別的變壓器所提供,而變壓器的??次側(cè)之間也會(huì)存在?頻的?電壓差?當(dāng)變壓器一二次側(cè)的絕緣能?不足,持續(xù)性異常放電的突波也可能會(huì)使數(shù)字控制動(dòng)作異常及導(dǎo)致晶體管故障?

 

雖然變壓器使用的線材本身可能具有足夠的耐壓能力(譬如 : 耐壓3000V的線材),但是當(dāng)一二次側(cè)的線圈相鄰很近或是靠在一起時(shí),看似線材之間好像可以承受相當(dāng)高耐壓 (譬如 : 6000V),但實(shí)際上可能于一般電壓(譬如 : 1000V)?作?段時(shí)間后就發(fā)生故障了?這是因?yàn)?般線材絕緣?的介電系數(shù)都遠(yuǎn)大于空氣,所以使空氣間隙的跨電壓/分壓比例相對(duì)?,當(dāng)線材之間空氣間隙的跨電壓達(dá)到>350V(在1atm下空氣最短距所需的放電起始電壓)時(shí),線材之間的局部表面就會(huì)開(kāi)始發(fā)生局部放電,由于線材的絕緣皮不會(huì)立刻劣化/損壞,所以持續(xù)使用一段時(shí)間后,線材的絕緣皮才會(huì)逐步被碳化,最終導(dǎo)致變壓器的一二次側(cè)短路(如圖四) ?

▲圖四. 變壓器??次側(cè)線圈的線材間發(fā)生局部放電



光耦合器與數(shù)字隔離器被應(yīng)用于各種需要隔離的環(huán)境,當(dāng)隔離的高電壓跨越在含有氣泡或裂縫的絕緣材料時(shí),就可能會(huì)有足夠高的分壓在氣泡或裂縫上導(dǎo)致發(fā)生局部放電。 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的劣化后,因絕緣材料的絕緣失效而導(dǎo)致電壓的隔離失效(如圖五)。

?般的安規(guī)耐壓測(cè)試通常只施加高電壓及檢測(cè)漏電流,并未對(duì)局部放電(PD)進(jìn)行檢測(cè),所以較難檢測(cè)出會(huì)發(fā)生局部放電的質(zhì)量異常品,當(dāng)這些絕緣質(zhì)量異常的產(chǎn)品實(shí)際被使用在正常的工作環(huán)境時(shí),雖然并不會(huì)讓產(chǎn)品立即損壞或是馬上造成危險(xiǎn),但卻會(huì)是產(chǎn)品長(zhǎng)期使用的質(zhì)量議題。若要避免發(fā)生此類的質(zhì)量議題,必須確保在最大?作電壓條件下無(wú)持續(xù)性局部放電(PD)。一般法規(guī)的建議是以最大絕緣工作電壓或最大絕緣重復(fù)峰值電壓(取電壓值較高者) 的1.875倍做為測(cè)試電壓,在測(cè)試的過(guò)程中(數(shù)秒程度),局部放電(PD)的放電量需小于某電荷量(譬如: 5pC, 10pC, etc.),確保產(chǎn)品?期使用的質(zhì)量與信賴性。


▲圖五. 光耦合器里存在氣泡的示意圖



解決方案: Chroma 19501局部放電測(cè)試器 (Partial Discharge Tester)

Chroma 19501系列符合法規(guī)IEC 60270-1對(duì)局部放電(Partial Discharge; PD)量測(cè)的要求,并將法規(guī)之測(cè)試方法設(shè)計(jì)于儀器內(nèi)。可提供AC耐壓測(cè)試(Max. 10kVac)及局部放電量測(cè)(Max. 6,000pC),能有效的檢測(cè)出絕緣質(zhì)量異常的?壓/功率組件、光耦合器、數(shù)字隔離器等,為組件?期?作的質(zhì)量與可靠性做把關(guān)。

 
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