如何降低功率元器件發(fā)生絕緣品質(zhì)異常

當絕緣體內(nèi)存在氣泡(Void)或絕緣體間存在氣隙(Air gap)時，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)，導致絕緣劣化造成絕緣品質(zhì)異常。

例如：樹酯內(nèi)有氣泡或漆包線間的氣隙，因為空氣的介電系數(shù)較低，氣泡或氣隙的電容量比原絕緣材料低，所以會分到相對高比例的電壓，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，但與其串列之絕緣材仍維持正常的放電現(xiàn)象稱之為局部放電。

當對待測物施加足夠的測試電壓時，利用局部放電偵測功能量測放電的電荷量(pC)，確認待測物的絕緣材料是否有絕緣品質(zhì)異常的潛在風險。故施加一個略高于元件最高的額定工作電壓對元件做局部放電測試，確保元件長時間在正常工作電壓下的可靠性(無持續(xù)性的局部放電)。

功率元件中的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、航空航太、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，由于會被切換ON/OFF狀態(tài)的關(guān)系，模組中的閘極(Gate)與集極(Collector)或汲極(Drain)之間，以及模組與散熱板之間會出現(xiàn)PWM的高電壓差。

當高電壓跨越在含有氣泡、氣隙或裂縫的絕緣材料時，就有較大的可能性會發(fā)生局部放電，經(jīng)過長時間的工作后會慢慢使絕緣材料逐漸劣化，進而造成絕緣材料的絕緣失效導致產(chǎn)品損壞。

另外，每個模組的閘極(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)之間也會存在高頻的高電壓差。當變壓器一二次側(cè)的絕緣能力不足，持續(xù)性異常放電的突波也可能會使數(shù)位控制動作異常及導致電晶體故障。

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3,000V的線材)，但是當一二次側(cè)的線圈相鄰很近或是靠在一起時，看似線材之間好像可以承受相當高耐壓(譬如：6,000V)，但實際上可能于一般電壓(譬如：1,000V)工作一段時間后就發(fā)生故障了。

這是因為一般線材絕緣皮的介電系數(shù)都遠大于空氣，所以使空氣間隙的跨電壓/分壓比例相對高，當線材之間空氣間隙的跨電壓達到>350V (在1atm下空氣最短距所需的放電起始電壓)時，線材之間的局部表面就會開始發(fā)生局部放電，由于線材的絕緣皮不會立刻劣化/損壞，所以持續(xù)使用一段時間后，線材的絕緣皮才會逐步被碳化，最終導致變壓器的一二次側(cè)短路(如圖4)。

光耦合器與數(shù)位隔離器被應(yīng)用于各種需要隔離的環(huán)境，當隔離的高電壓跨越在含有氣泡或裂縫的絕緣材料時，就可能會有足夠高的分壓在氣泡或裂縫上導致發(fā)生局部放電。經(jīng)過長時間的劣化后，因絕緣材料的絕緣失效而導致電壓的隔離失效(如圖5)。

一般的安規(guī)耐壓測試通常只施加高電壓及檢測漏電流，并未對局部放電(PD)進行檢測，所以較難檢測出會發(fā)生局部放電的品質(zhì)異常產(chǎn)品，當這些絕緣品質(zhì)異常的產(chǎn)品實際被使用在正常的工作環(huán)境時，雖然并不會讓產(chǎn)品立即損壞或是馬上造成危險，但卻會是產(chǎn)品長期使用的品質(zhì)議題。若要避免發(fā)生此類的品質(zhì)議題，必須確保在最大工作電壓條件下無持續(xù)性局部放電(PD)。

一般的建議是以最大絕緣工作電壓或最大絕緣重復峰值電壓(取電壓值較高者)的1.875倍做為測試電壓，在測試的過程中(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…等)，確保產(chǎn)品長期使用的品質(zhì)與信賴性。

解決方案: 局部放電測試器( Partial Discharge Tester )

Chroma 19501系列符合法規(guī)IEC 60270-1對局部放電(Partial Discharge，PD)量測的要求，并將法規(guī)之測試方法設(shè)計于儀器內(nèi)。

可提供AC耐壓測試(Max. 10kVac)及局部放電量測(Max. 6,000pC)，能有效的檢測出絕緣品質(zhì)異常的高壓/功率元件、光耦合器、數(shù)位隔離器等，為元件長期工作的品質(zhì)與可靠性做把關(guān)。