IGBT的故障分析與測試-Chroma19501-k

IGBT 模塊常使用在各種高功率電源與大電力馬達(dá)驅(qū)動。由于功率高，動作電壓就會提高，因此1,000V 上下的工作電壓并不少見。各個IGBT 因時(shí)序分離，其閘級(Gate)與射級(Emitter)間工作偏壓都由獨(dú)立隔離變壓器所提供。 此變壓器在動作時(shí)，于一二次側(cè)之間會有一PWM切換之高頻高壓(如圖一) 。一般變壓器常因使用者與生產(chǎn)者對線材本身的崩潰電壓與線間局部放電的起始電壓之差別沒有足夠認(rèn)識，造成未能進(jìn)行正確的絕緣能力要求、正確的絕緣設(shè)計(jì)及生產(chǎn)檢測，導(dǎo)致IGBT毀損或因高壓放電突波在數(shù)字端產(chǎn)生各式異常動作。

▲圖一. 馬達(dá)驅(qū)動控制電路圖

若此變壓器一二次側(cè)間壓差為1,000V_peak方波， 一般非安規(guī)的質(zhì)量要求可能設(shè)計(jì)>2,000V耐壓程度，那使用崩潰電壓>3,000V的線材分別繞在兩側(cè)線，即使相鄰也能耐個6,000V吧? 答案是他可能可以耐6,000V一分鐘，但也許在實(shí)際工作(1,000V 方波)一段時(shí)間后就故障。其原因?yàn)橐话憬^緣皮介電系數(shù)都遠(yuǎn)高于空氣，導(dǎo)致交流狀態(tài)下在空氣部分之分壓比例較高。在線間空氣分壓達(dá)>350V_peak (1atm 氣體短距放電開始電位)狀態(tài)，持續(xù)局部放電而逐步碳化終至短路(參照圖二)。抑或在變壓器破壞前，此局部放電突波極可能在數(shù)字電路上造成異常干擾而誤動作。

▲圖二. 變壓器線圈因持續(xù)性電暈放電導(dǎo)致一二次側(cè)間線圈短路

圖三為一高功率電源IGBT控制變壓器造成的故障實(shí)例。由此能看見異常變壓器在使用時(shí)因電暈放電而發(fā)光，但于一般零件測試中未被判異常且也未被發(fā)現(xiàn)于電源成品生產(chǎn)測試?yán)?。卻在實(shí)際使用環(huán)境經(jīng)常造成IGBT 模塊故障或系統(tǒng)的數(shù)字異常誤動作等不易直接聯(lián)想的質(zhì)量議題，直到變壓器改善設(shè)計(jì)或更換才獲得改善。

▲圖三. 高功率電源IGBT控制變壓器持續(xù)電暈放電故障實(shí)例

一般變壓器業(yè)者只依據(jù)規(guī)格進(jìn)行普通耐壓測試，而未針對局部放電(PD)或電氣閃絡(luò)(Flashover)作檢測而導(dǎo)致此類議題廣泛發(fā)生于各式電源使用之電氣電子產(chǎn)品。要避免此類議題的發(fā)生，一定得確保在工作條件下無持續(xù)性局部放電(PD)。一般相關(guān)法規(guī)(例IEC60747-5-5)精神上會建議以最高使用可能電位之1.875倍，在生產(chǎn)檢測(數(shù)秒程度)無PD(例PD <15pC) 來確保長久產(chǎn)品質(zhì)量。以1,000V_peak 應(yīng)用例， 約1.325kVrms @ 60Hz (1.875kV_peak)，PD <15pC 可能是一個合適的檢測。(p.s.上例發(fā)生問題之變壓器實(shí)測局部放電起始電壓PDIV僅約在400Vac，遠(yuǎn)低于應(yīng)有品質(zhì)能力)。

Chroma 19501系列產(chǎn)品提供AC耐壓測試(10kVac)及局部放電檢測(1pC~2,000pC)功能，是?壓產(chǎn)品局部放電(Partial Discharge , PD)異常檢出的最佳?案，為您把關(guān)長期工作之質(zhì)量與可靠性。

另外，Chroma 11890 高頻耐壓測試器(5kVrms/100mA 10kHz~200kHz) 亦可使用于異常之加速測試(PD劣化速度與頻率約成正比例)，驗(yàn)證不良位置與設(shè)計(jì)改善成效。

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