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如何降低功率組件發(fā)生絕緣質(zhì)量異常(局部放電)
2024-11-15
一、功率組件普遍皆存在局部放電的議題，但您知道何謂局部放電(Partial Discharge)嗎?
當(dāng)電壓施加在含有兩個(gè)以上絕緣材料的絕緣物體時(shí)，有一個(gè)絕緣材料發(fā)生放電且至少仍有一個(gè)絕緣材料維持正常的絕緣狀態(tài)，此放電現(xiàn)象稱之為局部放電。舉例來說，當(dāng)待測(cè)物的絕緣材料中存在異常氣隙，因?yàn)榭諝獾慕殡娤禂?shù)比絕緣材料低以及空氣的崩潰電壓比絕緣材料低，所以異常氣隙處會(huì)分到相對(duì)高比例的電壓且容易發(fā)生局部放電。
因此，當(dāng)對(duì)待測(cè)物施加足夠的測(cè)試電壓時(shí)，可以利用局部放電偵測(cè)量測(cè)放電的電荷量(pC)，確認(rèn)待測(cè)物的絕緣材料否有絕緣質(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)功率組件做局部放電測(cè)試，能確保功率組件長(zhǎng)時(shí)間在正常工作電壓下的可靠性(無持續(xù)性的局部放電)。
二、為何功率組件會(huì)發(fā)生絕緣質(zhì)量異常(局部放電)?
功率組件中的IGBT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、鐵路設(shè)備、新能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車等)，且IGBT 模塊經(jīng)常被使?于?功率/?電流的電源轉(zhuǎn)換/控制線路，?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，IGBT模塊中的閘極(Gate)與集極(Collector)之間以及IGBT模塊與散熱板之間會(huì)出現(xiàn)PWM的高電壓差(如圖?)。當(dāng)高電壓跨越在含有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。
▲圖?. 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制線路圖
▲圖二. IGBT氣隙與裂縫的示意圖 & 劣化路徑的實(shí)照
另外，每個(gè)IGBT模塊的閘極(Gate)與射極(Emitter)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(如圖?)。當(dāng)變壓器一二次側(cè)的絕緣能?不足，異常放電所產(chǎn)生的電壓/電流可能會(huì)導(dǎo)致IGBT毀損，且?壓放電的突波也可能會(huì)使數(shù)字控制動(dòng)作異常。
雖然變壓器使用的線材本身可能具有足夠的絕緣能力(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(參照?qǐng)D三)。此外，在變壓器完全損壞前，一二次側(cè)之間產(chǎn)生的放電突波也可能會(huì)干擾數(shù)字控制的電路導(dǎo)致誤動(dòng)作。
▲圖三. 變壓器??次側(cè)線圈的線材間發(fā)生局部放電
三、為何絕緣質(zhì)量異常的功率組件未被發(fā)現(xiàn)?
?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。
四、解決方案: Chroma 19501局部放電測(cè)試器 (Partial Discharge Tester)
Chroma 19501 + A195005符合法規(guī)(IEC 60270-1)對(duì)局部放電(Partial Discharge; PD)量測(cè)的要求，可提供AC耐壓測(cè)試(Max. 5kVac)及局部放電量測(cè)(1pC~6,000pC@3nF)，能有效的檢測(cè)出絕緣質(zhì)量異常的?壓/功率組件為?期?作的質(zhì)量與可靠性做把關(guān)。
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