英飛凌：開關(guān)電源中的局部放電

作者： 英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體應(yīng)用工程師 伍堂順 施三保

一、局部放電現(xiàn)象

局部放電（partial discharge，簡稱PD）現(xiàn)象，通常主要指的是高壓電氣設(shè)備絕緣層在足夠強的電場作用下局部范圍內(nèi)發(fā)生的放電，某個區(qū)域的電場強度一旦達到其介質(zhì)擊穿場強時，該區(qū)域就會出現(xiàn)放電現(xiàn)象。這種放電以僅造成導(dǎo)體間的絕緣局部短（路橋）接而不形成導(dǎo)電通道為限。每一次局部放電對絕緣介質(zhì)都會有一些影響，輕微的局部放電對電力設(shè)備絕緣的影響較小，絕緣強度的下降較慢；而強烈的局部放電，則會使絕緣強度很快下降。

實際上，局部放電現(xiàn)象不僅僅發(fā)生在高壓電氣設(shè)備中，也會發(fā)生在開關(guān)電源系統(tǒng)中，并且也有相應(yīng)的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)去檢驗整個開關(guān)電源系統(tǒng)的絕緣是否滿足局部放電要求。以三相變頻器為例，IEC61800-5-1中明確指出，如果一次測高壓端與安全二次側(cè)電壓（SELV）之間的重復(fù)峰值電壓超過了750V，并且，在絕緣層厚度上的電壓應(yīng)力超過了1KV/mm，則必須做局部放電測試認(rèn)證。

局部放電發(fā)生時，主要伴隨有以下幾種能量釋放方式：

圖1.局部放電能量釋放方式

圖2.電暈局部放電

我們先感受一下夜色中高壓輸電線絕緣子上的電暈局部放電，紫色弧光，狐媚而又破壞力十足。

局部放電對絕緣結(jié)構(gòu)的破壞機理主要有三個方面：

1. 帶電粒子（電子、離子等） 沖擊絕緣層，破壞其分子結(jié)構(gòu)，如纖維碎裂，因而絕緣受到損傷。

2. 由于帶電離子的撞擊作用，使該絕緣出現(xiàn)局部溫度升高，從而易引起絕緣的過熱，嚴(yán)重時就會出現(xiàn)碳化。

3. 局部放電產(chǎn)生的臭氧及氮的氧化物會侵蝕絕緣，當(dāng)遇有水分則產(chǎn)生硝酸，對絕緣的侵蝕更為劇烈。

見微知著，局部放電測試的目的就是為了發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備絕緣中潛在的薄弱點，在未釀成災(zāi)難性的后果前，即有針對性的進行補救、改善或者更換。

根據(jù)局部放電能量釋放方式的特點，局部放電檢測方法主要分為兩大類七種方法，見圖3所示，這幾種方法中，以脈沖電流法用得最多，也最為成熟。常用的數(shù)字局部放電儀的原理就是脈沖電流法，對應(yīng)的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)有IEC60270，對應(yīng)的國標(biāo)有：

·GB/T 7354-2003局部放電測量（IEC60270：2000 IDT）；

·DL/T 846.4-2016高電壓測試設(shè)備通用技術(shù)條件第4部分：脈沖電流法局部放電測量儀；

·DL/T 417-2006電力設(shè)備局部放電現(xiàn)場測量導(dǎo)則。

圖3.局部放電檢測方法

☆關(guān)于檢測方法，還可以參考《淺談局部放電測量》這篇文章。

因為局部放電是比較復(fù)雜的物理現(xiàn)象，必須通過多種表征參數(shù)才能全面的描繪其狀態(tài)，同時局部放電對絕緣破壞的機理也很復(fù)雜，需要通過不同的參數(shù)來評定它對絕緣的損害，目前主要以如下兩個參數(shù)來判定。

1.視在放電電荷——在絕緣體中發(fā)生局部放電時，絕緣體上施加電壓的兩端出現(xiàn)的脈動電荷稱之為視在放電電荷，單位用皮庫（pc）表示，通常以穩(wěn)定出現(xiàn)的最大視在放電電荷作為該試品的放電量。

2.放電重復(fù)率——在測量時間內(nèi)每秒中出現(xiàn)的放電次數(shù)的平均值稱為放電重復(fù)率，單位為次/秒，放電重復(fù)率越高，對絕緣的損害越大。

二、開關(guān)電源系統(tǒng)中的局部放電

這里先解釋一下安全二次側(cè)電壓SELV的含義，SELV是safety extra low voltage的縮寫，指的是不超過50Vrms的交流電壓和不超過120V的直流電壓，是為了防止觸電事故而由特定電源供電所采用的電壓。

SELV通常用于給人機接口，液晶屏，按鍵等人體可以直接觸摸到的設(shè)備供電，可以避免操作人員遭受電擊，威脅到生命安全，所以，SELV電路與一次側(cè)高壓端之間必須是加強絕緣，同時還需要注意，如果一次測高壓端與SELV電路之間的重復(fù)峰值電壓超過了750V，并且，在絕緣層厚度方向上的電壓應(yīng)力超過了1KV/mm，則還必須增加局部放電測試認(rèn)證。

如圖4所示三相變頻器中，左下角綠色虛線圍起來的部分就是SELV電路，輔助電源SPS左側(cè)的供給MCU的+24V，+5V兩路電源與SPS的其余的電壓輸入輸出電氣連接點之間，都必須滿足加強絕緣要求。

圖4.三相變頻器結(jié)構(gòu)框圖

以三相480V變頻器為例，交流輸入線電壓為480Vrms，則其母線電壓平均值為480*1.35=648Vdc，也就是進入輔助電源SPS的工作電壓就是648V，這個電壓值已經(jīng)非常接近750V這個閾值，同時，需要注意的是，750V閾值電壓是在整機實際運行過程中，實際測試得到的一次側(cè)高壓端與SELV電路之間的重復(fù)峰值電壓，用高壓差分探頭分別勾取兩邊的監(jiān)測點，若此電壓超過750V，同時，在絕緣層厚度方向上的電壓應(yīng)力超過了1KV/mm，則局部放電測試認(rèn)證必做。

假設(shè)輔助電源SPS采用了經(jīng)典的單管反激變換器，如圖5所示，SPS從變頻器的BUS電容上取電，這里為了簡化電路，變壓器T1的輸出只設(shè)計了兩路輸出電壓，分別給IGBT的驅(qū)動器和MCU側(cè)供電，從前面的定義可以看出，給MCU供電的+24V_CONTROL就是SELV電路，需要與其他電路之間做加強絕緣處理，也就是變壓器T1的pin12-pin14所在的繞組與其余繞組之間必須滿足加強絕緣要求，同時，在PCB板上，+24V_CONTROL所在電路與其他電路之間的爬電距離也必須滿足加強絕緣要求。

圖5.單管反激變換器簡圖

回到本文的重點，接下來測試一次側(cè)高壓端與SELV電路之間的重復(fù)峰值電壓是否超過750V閾值電壓。有經(jīng)驗的同學(xué)都知道，在開關(guān)電源中，重點是要找變換器中的“動點”，也就是電壓的變化率dv/dt最大的節(jié)點，在圖5中，一次側(cè)高壓端的監(jiān)測點就可以選為Q1的Drain極，也就是變壓器T1的pin 3，安全二次側(cè)SELV的監(jiān)測點既可以選擇變壓器T1的pin 12，也可以選擇變壓器T1的pin 14，最后以正常帶載工況下一次側(cè)、二次側(cè)之間檢測到最大電壓為作為設(shè)定局部放電電壓UPD的基準(zhǔn)。

圖6.重復(fù)峰值電壓監(jiān)測示意圖

圖7是一張實測的一次側(cè)高壓端與SELV電路之間的重復(fù)峰值電壓波形圖（CH1黃色），可以看到，此電壓已經(jīng)超過了750V的閾值，同時，變壓器結(jié)構(gòu)中繞組與繞組之間的麥拉絕緣膠帶通常為2層，每層的厚度都小于0.1mm，所以，需要增加局部放電測試認(rèn)證是板上釘釘了。

圖7.重復(fù)峰值電壓實測波形圖

說到這里，估計有的同學(xué)就會問了，為什么以前沒有做過局部放電這項測試呢？原因主要有兩點：

1. 以前確實沒有對應(yīng)的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求強制通過局部放電測試，變頻器中增加這項測試也是約四年前的事；

2. 電源整機降成本帶來的附贈產(chǎn)物，如圖8所示，以前傳統(tǒng)的給SELV電路供電是采用兩級變換器的方式，先通過一級DC-DC變換器將BUS母線降低為48V或者更低，再通過一級隔離DC-DC變換器給SELV電路供電，因為第二級隔離DC-DC變換器之間的壓差不可能超過750V閾值，所以，局部放電測試就無需再做，只需要滿足對應(yīng)的加強絕緣要求即可。

但是，現(xiàn)在的電源整機由于降成本的壓力，與圖5所示一樣，將傳統(tǒng)的兩級變換器改為一級DC-DC變換器，同時給SELV電路和其他的比如驅(qū)動電路等供電，趕上新的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，那局部放電測試就和其他安規(guī)項目一樣，成為必修課了。

圖8.傳統(tǒng)SELV兩級變換器供電方式

三、局部放電測試的標(biāo)準(zhǔn)

IEC61800-5-1中對于局部放電測試的標(biāo)準(zhǔn)如圖9所示，測試中加載的電壓是50HZ或者60的交流電壓， UPD的取值就是在圖7中實際測得的電壓。需要注意的一點是，在這里UPD既可以取有效值，也可以取峰值，舉例講，圖7中測得的重復(fù)峰值電壓為1100V，則在做局部放電測試時，對應(yīng)的加載測試電壓的峰值就是1.875*1100=2062.5V；同時，也可以觀察到圖7中的有效值為559.8Vrms，則對應(yīng)的測試電壓也可以按照1.875*559.8Vrms=1049.6Vrms加載。因為測得的重復(fù)峰值電壓波形并不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，所以其峰值電壓與有效值電壓之間并不是1.414倍的關(guān)系。

圖9.IEC61800-5-1中局部放電測試電壓與時間曲線

局部放電測試通過的判定標(biāo)準(zhǔn)是在第二段1.5UPD電壓施加期間的視在放電電荷不超過10pC，如果超過10pC即判定為不合格?；氐角笆龅娜嘧冾l器中，需要通過局部放電測試的器件之一就是變壓器T1了。圖10是MPS研發(fā)的數(shù)字局部放電儀，圖11是變壓器的局部放電測試場景。

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四、預(yù)防局部放電的措施

從前面兩個章節(jié)的陳述中，大家應(yīng)該發(fā)現(xiàn)了，輔助源SPS變壓器的設(shè)計是通過局部放電測試的關(guān)鍵，所以，這個章節(jié)就重點介紹預(yù)防變壓器局部放電的措施。

1、從源頭抓起，從絕緣材料的生產(chǎn)過程開始管控，防止其生產(chǎn)過程中混入導(dǎo)電性沉積物、金屬碎屑、浮泡和濕氣等，造成后續(xù)使用這些絕緣材料的產(chǎn)品無法達到設(shè)計要求。

圖12.麥拉絕緣膠帶和骨架

2、以變壓器設(shè)計中用到的麥拉絕緣膠帶和骨架為例，如圖12所示，可以使用較高CTI（相對起痕指數(shù)）等級的絕緣材料，可以有效的滿足加強絕緣的爬電距離要求和降低發(fā)生局部放電的幾率。絕緣材料的CTI等級分類如圖13所示，CTI》600是目前最好的絕緣材料。

圖13.絕緣材料CTI等級分類

圖14.爬電距離查詢表

3、增加氣隙長度和爬電距離，以降低電場強度。以圖7中測得的UPD電壓有效值559Vrms去查詢對應(yīng)的加強絕緣爬電距離要求，如圖14所示，在污染等級為Ⅱ類，采用600》CTI≥400的絕緣材料的條件下，基本絕緣的爬電距離要求為4.5mm，則滿足加強絕緣要求的爬電距離至少為基本絕緣爬電距離要求的2倍，也就是要大于9mm。

對變壓器設(shè)計而言，也就是SELV電路所在繞組與其余繞組之間的擋墻寬度至少要超過9mm，如圖15所示變壓器內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)圖，骨架左右兩側(cè)的擋墻寬度至少要大于4.5mm，則上下兩個相鄰的繞組的擋墻寬度加起來就大于了9mm，滿足加強絕緣爬電距離要求。這也意味著，如果要滿足加強絕緣的爬電距離要求，則勢必需要增大骨架的尺寸，也就是所用磁芯的尺寸也要變大，否則骨架很可能繞不下全部的線包。

圖15.變壓器內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)圖

4、增加絕緣層的厚度。局部放電是因為物體內(nèi)部局部范圍內(nèi)的電場強度超過絕緣介質(zhì)的強度而發(fā)生的物理現(xiàn)象，電場強度反比于相互之間的距離，單位為V/m（伏特/米），所以，增加絕緣層的厚度，可以有效的降低加載在絕緣層上的電場強度，從而降低發(fā)生局部放電的幾率。另外，絕緣層厚度的增加，也增加了對絕緣材料中的空洞等缺陷的容錯程度，降低了對絕緣材料的要求。

以圖15所示變壓器設(shè)計為例，增加SELV繞組與相鄰的兩個繞組gate driver supply、AUX之間的麥拉絕緣膠帶的厚度，對于保障變壓器的設(shè)計通過局部放電測試有著非常大的影響。圖16就是加不同層數(shù)的麥拉膠帶的局部放電對比結(jié)果，3款變壓器樣品中，1#在SELV繞組的前后各自加了4層麥拉膠帶，2#在SELV繞組的前后各自加了5層麥拉膠帶，3#樣在1#的基礎(chǔ)上增加了一個屏蔽層繞組，其他條件3款變壓器都保持一樣。

可以看到，僅有2# 5層麥拉膠帶的變壓器樣品通過了局部放電測試。

圖16.麥拉膠帶層數(shù)對局部放電結(jié)果的影響

細(xì)心的同學(xué)估計注意到了，圖15的變壓器繞組結(jié)構(gòu)沒有采用三明治繞法，當(dāng)然，這種繞法結(jié)構(gòu)確實會導(dǎo)致變壓器的漏感變大。工程應(yīng)用中，兩相其害取其輕，漏感只能通過外部電路的配合來降低其影響。

另外，SELV繞組的出線，除了需要用鐵氟龍?zhí)坠艽┕芡?，建議最好不要與一次側(cè)高壓繞組的出線端交叉。

5、將變壓器全面灌封、含浸處理，在真空條件下，將變壓器從下到上，用凡立水等絕緣材料逐步灌封。凡立水浸入變壓器內(nèi)部，可以彌補骨架、麥拉絕緣膠帶上面的空洞、氣泡等缺陷，同時，含浸處理可以有效的改善變壓器的污染等級。

6、在PCB板上涂刷絕緣涂層，同理，可以改善污染等級，降低滿足加強絕緣的爬電距離要求。

五、小結(jié)

局部放電測試在開關(guān)電源中還是一個比較小眾的話題，本篇文章從三相變頻器的SELV電路的加強絕緣說起，簡要介紹了局部放電的標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)防措施，重點介紹了輔助電源SPS的變壓器設(shè)計如何滿足加強絕緣和通過局部放電測試。當(dāng)然，在圖4的框圖中，DSP與MCU之間的數(shù)字隔離芯片也是需要通過加強絕緣和局部放電測試認(rèn)證的。

希望本篇文章所介紹的小知識能對各位同學(xué)的日常工作有所幫助。