Модули IGBT: проверка на частичный разряд

Модули биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) играют важную роль в мощных устройствах, в том числе в электромобилях, системах возобновляемой энергетики и промышленных приводах. Эти модули работают при напряжении от 1,7 до 6,5 кВ, поэтому их надежность крайне важна для обеспечения общей производительности и безопасности системы.

Важнейшим фактором, влияющим на надежность IGBT-модулей, является частичный разряд. Частичный разряд — это локальные электрические разряды, возникающие в изоляции модуля. Эти разряды постепенно разрушают такие материалы, как силиконовый гель, керамические подложки или герметики, что приводит к таким неисправностям, как перенапряжение  или полный выход модуля из строя.

Частичный разряд происходит в пустотах, дефектах или на границах раздела, например в соединениях металл-полупроводник-изолятор, из-за высокого электрического поля. Это явление усугубляется при использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или работе на постоянном токе, что характерно для современных IGBT-транзисторов.

Тестирование необходимо для определения:

• напряжение начала частичного разряда;
• напряжение гашения разряда;
• характера разряда.

Понимание этих параметров помогает предотвратить долгосрочную деградацию критически важных систем. Обнаружение частичного разряда также обеспечивает целостность изоляции IGBT-модулей в соответствии с отраслевыми стандартами, такими как IEC 60747-9 и IEC 61287.

Существует несколько методов тестирования, используемых для выявления частичных разрядов в IGBT-модулях. Эти методы предполагают подачу контролируемого напряжения для обнаружения разрядов, измеряемых в пикокулонах (пКл), с использованием чувствительного оборудования в экранированных помещениях. К основным подходам относятся:

1. Испытания синусоидальным переменным током (50/60 Гц). При использовании этого традиционного метода тестирования напряжение повышается до 1,5–2 от номинальных значений, при этом измеряются значения PDIV/PDEV. Однако этот метод может не отражать реальных перенапряжений с ШИМ.

2. Испытания постоянным током. В высоковольтных системах  постоянного тока тесты на постоянном токе выявляют  эффекты захвата заряда на границах раздела. Для снижения уровня шума часто используются разнополярные схемы.

3. ШИМ/прямоугольный сигнал. Этот метод имитирует работу инвертора с высоким значением dv/dt (например, время нарастания 100–800 нс). При этом частичные разряды более выражены, а значение PDIV ниже из-за быстрых переходных процессов.

Для измерения напряжения изоляции, связанного с оценкой частичных разрядов, все соединения модуля замыкаются накоротко, а на опорную пластину подается испытательное напряжение. Фактическое измерение проводится так, как показано на рисунке 1, где модуль представлен в виде конденсатора Cmodule.  При возникновении частичного разряда генерируется кратковременный импульс тока. Этот импульс преобразуется в заряд Qpd интегрирующей цепочкой из сопротивления Zfilter и емкости C1 величина которого фиксируется измерительным прибором.Если измеренный заряд остается ниже верхнего предела, установленного стандартами, модуль считается защищенным от частичных разрядов.

Напряжение изоляции и напряжение гашения частичных разрядов для выбранных IGBT-модулей приведены в таблице 2.

Предложенные методы тестирования влекут за собой  ряд проблем, включая с шумы от переключения/коммутации или от внешних источников, которые могут затруднять точное обнаружение частичных разрядов. Для решения  этих проблем, используются специализированные испытательные установки, например клетки Фарадея, которые блокируют внешние электромагнитные поля и, как следствие, снижают уровень шума. Усовершенствования конструкции IGBT-модуля, например, заполнение изолятором без пустот и использование материалов, устойчивых к частичному пробою (например, рамки из PEEK (полиэфирэфиркетон) в корпусе типа «пресс-пак»), могут снизить риски, связанные с частичными разрядами. Моделирование по методу конечных значений также позволяет прогнозировать  места возникновения частичного разряда, что позволяет улучшить конструкции  IGBT-модулей.