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IGBT的故障分析与测试-Chroma19501-k

点击次数:1392 更新时间:2021-07-23

IGBT 模块常使用在各种高功率电源与大电力马达驱动。由于功率高,动作电压就会提高,因此1,000V 上下的工作电压并不少见。各个IGBT 因时序分离,其闸级(Gate)与射级(Emitter)间工作偏压都由独立隔离变压器所提供。 此变压器在动作时,于一二次侧之间会有一PWM切换之高频高压(如图一) 。一般变压器常因使用者与生产者对线材本身的崩溃电压与线间局部放电的起始电压之差别没有足够认识,造成未能进行正确的绝缘能力要求、正确的绝缘设计及生产检测,导致IGBT毁损或因高压放电突波在数字端产生各式异常动作。

马达驱动控制电路图
▲图一. 马达驱动控制电路图

若此变压器一二次侧间压差为1,000V_peak方波, 一般非安规的质量要求可能设计>2,000V耐压程度,那使用崩溃电压>3,000V的线材分别绕在两侧线,即使相邻也能耐个6,000V吧? 答案是他可能可以耐6,000V一分钟,但也许在实际工作(1,000V 方波)一段时间后就故障。其原因为一般绝缘皮介电系数都远高于空气,导致交流状态下在空气部分之分压比例较高。在线间空气分压达>350V_peak (1atm 气体短距放电开始电位)状态,持续局部放电而逐步碳化终至短路(参照图二)。抑或在变压器破坏前,此局部放电突波极可能在数字电路上造成异常干扰而误动作。

变压器线圈因持续性电晕放电导致一二次侧间线圈短路
▲图二. 变压器线圈因持续性电晕放电导致一二次侧间线圈短路

图三为一高功率电源IGBT控制变压器造成的故障实例。由此能看见异常变压器在使用时因电晕放电而发光,但于一般零件测试中未被判异常且也未被发现于电源成品生产测试里。却在实际使用环境经常造成IGBT 模块故障或系统的数字异常误动作等不易直接联想的质量议题,直到变压器改善设计或更换才获得改善。

变压器线圈因持续性电晕放电导致一二次侧间线圈短路
▲图三. 高功率电源IGBT控制变压器持续电晕放电故障实例

一般变压器业者只依据规格进行普通耐压测试,而未针对局部放电(PD)或电气闪络(Flashover)作检测而导致此类议题广泛发生于各式电源使用之电气电子产品。要避免此类议题的发生,一定得确保在工作条件下无持续性局部放电(PD)。一般相关法规(例IEC60747-5-5)精神上会建议以最高使用可能电位之1.875倍,在生产检测(数秒程度)无PD(例PD <15pC) 来确保长久产品质量。以1,000V_peak 应用例, 约1.325kVrms @ 60Hz (1.875kV_peak),PD <15pC 可能是一个合适的检测。(p.s.上例发生问题之变压器实测局部放电起始电压PDIV仅约在400Vac,远低于应有品质能力)。

Chroma 19501系列产品提供AC耐压测试(10kVac)及局部放电检测(1pC~2,000pC)功能,是⾼压产品局部放电(Partial Discharge , PD)异常检出的最佳⽅案,为您把关长期工作之质量与可靠性。

Chroma 19501

另外,Chroma 11890 高频耐压测试器(5kVrms/100mA 10kHz~200kHz) 亦可使用于异常之加速测试(PD劣化速度与频率约成正比例),验证不良位置与设计改善成效。

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