如何降低功率元器件发生绝缘品质异常

 

当绝缘体内存在气泡(Void)或绝缘体间存在气隙(Air gap)时，在正常工作电压下气泡或气隙容易发生局部放电(Partial Discharge，PD)，导致绝缘劣化造成绝缘品质异常。

 

 

例如：树酯内有气泡或漆包线间的气隙，因为空气的介电系数较低，气泡或气隙的电容量比原绝缘材料低，所以会分到相对高比例的电压，且在相同间隙距离条件下，气泡或气隙的崩溃电压比绝缘材料的低。此类放电发生于气泡或气隙等局部瑕疵，但与其串列之绝缘材仍维持正常的放电现象称之为局部放电。

 

 

当对待测物施加足够的测试电压时，利用局部放电侦测功能量测放电的电荷量(pC)，确认待测物的绝缘材料是否有绝缘品质异常的潜在风险。故施加一个略高于元件最高的额定工作电压对元件做局部放电测试，确保元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)。

 

图1：马达驱动控制线路图

 

功率元件中的IGBT与SiC-MOSFET被应用于各种领域(譬如：电子产品、工业设备、航空航太、军用设备、铁路设备、新能源、智慧电网、新能源车等)，且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，模组中的闸极(Gate)与集极(Collector)或汲极(Drain)之间，以及模组与散热板之间会出现PWM的高电压差。

 

图2：IGBT里存在气泡与裂缝的示意图

 

当高电压跨越在含有气泡、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3：IGBT持续局部放电的劣化路径实照

 

另外，每个模组的闸极(Gate)与射极(Emitter)或源极(Source)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。当变压器一二次侧的绝缘能力不足，持续性异常放电的突波也可能会使数位控制动作异常及导致电晶体故障。

 

虽然变压器使用的线材本身可能具有足够的耐压能力(譬如：耐压3,000V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：6,000V)，但实际上可能于一般电压(譬如：1,000V)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(如图4)。

 

图4：变压器一二次侧线圈的线材间的间隙发生局部放电

 

光耦合器与数位隔离器被应用于各种需要隔离的环境，当隔离的高电压跨越在含有气泡或裂缝的绝缘材料时，就可能会有足够高的分压在气泡或裂缝上导致发生局部放电。经过长时间的劣化后，因绝缘材料的绝缘失效而导致电压的隔离失效(如图5)。

 

图5：光耦合器里存在气泡的示意图

 

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品质异常产品，当这些绝缘品质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品质议题。若要避免发生此类的品质议题，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…等)，确保产品长期使用的品质与信赖性。

 

解决方案: 局部放电测试器( Partial Discharge Tester )

 

Chroma 19501系列符合法规IEC 60270-1对局部放电(Partial Discharge，PD)量测的要求，并将法规之测试方法设计于仪器内。

 

局部放电测试器

 

可提供AC耐压测试(Max. 10kVac)及局部放电量测(Max. 6,000pC)，能有效的检测出绝缘品质异常的高压/功率元件、光耦合器、数位隔离器等，为元件长期工作的品质与可靠性做把关。