如何降低功率组件发生绝缘质量异常(局部放电)
2024-11-15
一、功率组件普遍皆存在局部放电的议题，但您知道何谓局部放电(Partial Discharge)吗?
当电压施加在含有两个以上绝缘材料的绝缘物体时，有一个绝缘材料发生放电且至少仍有一个绝缘材料维持正常的绝缘状态，此放电现象称之为局部放电。举例来说，当待测物的绝缘材料中存在异常气隙，因为空气的介电系数比绝缘材料低以及空气的崩溃电压比绝缘材料低，所以异常气隙处会分到相对高比例的电压且容易发生局部放电。
因此，当对待测物施加足够的测试电压时，可以利用局部放电侦测量测放电的电荷量(pC)，确认待测物的绝缘材料否有绝缘质量异常的潜在风险，故施加一个略高于组件最高的额定工作电压对功率组件做局部放电测试，能确保功率组件长时间在正常工作电压下的可靠性(无持续性的局部放电)。
二、为何功率组件会发生绝缘质量异常(局部放电)?
功率组件中的IGBT被应用于各种领域 (譬如: 电子产品、工业设备、航空航天、铁路设备、新能源、智能电网、新能源汽车等)，且IGBT 模块经常被使⽤于⾼功率/⼤电流的电源转换/控制线路，⼯作电压通常都是数千伏特，由于会被切换ON/OFF状态的关系，IGBT模块中的闸极(Gate)与集极(Collector)之间以及IGBT模块与散热板之间会出现PWM的高电压差(如图⼀)。当高电压跨越在含有气隙或裂缝的绝缘材料时，就有较大的可能性会发生局部放电。经过长时间的工作后会慢慢使绝缘材料逐渐劣化，进而造成绝缘材料的绝缘失效导致产品损坏。
▲图⼀. 马达驱动控制线路图
▲图二. IGBT气隙与裂缝的示意图 & 劣化路径的实照
另外，每个IGBT模块的闸极(Gate)与射极(Emitter)之间⼯作偏压可能是由各别的变压器所提供，而变压器的⼀⼆次侧之间也会存在⾼频的⾼电压差(如图⼀)。当变压器一二次侧的绝缘能⼒不足，异常放电所产生的电压/电流可能会导致IGBT毁损，且⾼压放电的突波也可能会使数字控制动作异常。
虽然变压器使用的线材本身可能具有足够的绝缘能力(譬如:耐压3000V的线材)，但是当一二次侧的线圈相邻很近或是靠在一起时，看似线材之间好像可以承受相当高耐压(譬如:6000V)，但实际上可能于一般电压(譬如: 1000V)⼯作⼀段时间后，就发生故障了。这是因为⼀般线材绝缘⽪的介电系数都远大于空气，所以使空气间隙的跨电压/分压比例相对⾼，当线材之间空气间隙的跨电压达到>350V (在1atm下空气最短距所需的放电起始电压)时，线材之间的局部表面就会开始发生局部放电，由于线材的绝缘皮不会立刻劣化/损坏，所以持续使用一段时间后，线材的绝缘皮才会逐步被碳化，最终导致变压器的一二次侧短路(参照图三)。此外，在变压器完全损坏前，一二次侧之间产生的放电突波也可能会干扰数字控制的电路导致误动作。
▲图三. 变压器⼀⼆次侧线圈的线材间发生局部放电
三、为何绝缘质量异常的功率组件未被发现?
⼀般的安规耐压测试通常只施加高电压及检测漏电流，并未对局部放电(PD)进行检测，所以较难检测出会发生局部放电的质量异常品，当这些绝缘质量异常的产品实际被使用在正常的工作环境时，虽然并不会让产品立即损坏或是马上造成危险，但却会是产品长期使用的质量议题。若要避免发生此类的质量议题，必须确保在最大⼯作电压条件下无持续性局部放电(PD)。一般法规的建议是以最大绝缘工作电压或最大绝缘重复峰值电压(取电压值较高者) 的1.875倍做为测试电压，在测试的过程中(数秒程度)，局部放电(PD)的放电量需小于某电荷量(譬如: 5pC, 10pC, etc.)，确保产品⻑期使用的质量与信赖性。
四、解决方案: Chroma 19501局部放电测试器 (Partial Discharge Tester)
Chroma 19501 + A195005符合法规(IEC 60270-1)对局部放电(Partial Discharge; PD)量测的要求，可提供AC耐压测试(Max. 5kVac)及局部放电量测(1pC~6,000pC@3nF)，能有效的检测出绝缘质量异常的⾼压/功率组件为⻑期⼯作的质量与可靠性做把关。
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