使用局部放電記錄法監(jiān)測IGBT模塊絕緣參數(shù)的研究

寧 波，高 歌，高寬紅，束 成

（1.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221000；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電分公司，江蘇 徐州 221000； 3.國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司徐州勘測設(shè)計(jì)中心，江蘇 徐州 221000）

1 無損監(jiān)測IGBT模塊絕緣性能

IGBT模塊集成了開關(guān)管、控制和保護(hù)電路，在電力電子技術(shù)中應(yīng)用越來越廣，其可靠性直接影響電力電子系統(tǒng)的整體性能，需要深入研究監(jiān)測其工作性能的方法。

IGBT模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開關(guān)頻率高，通過電流大，發(fā)熱量大，對其組件導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性提出特殊的要求。IGBT模塊的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。半導(dǎo)體芯片(晶體管和二極管)焊接在陶瓷板上，芯片引出端和陶瓷板上端子之間通過鋁線或銅線連接，再焊接上外部端子。常用的基座是一種參雜有碳化硅的鋁合金基質(zhì)復(fù)合材料，導(dǎo)熱性和機(jī)械強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)低，密度小。外部塑料外殼中灌注硅凝膠保護(hù)芯片，組成了一個(gè)整體，具有一定機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)熱、導(dǎo)電和絕緣性能。

IGBT模塊的可靠性取決于部件的穩(wěn)定性。由于模塊工作在高壓大電流電路中，最薄弱之處是大電流端子1和基座9之間的絕緣。交付驗(yàn)收時(shí)電子設(shè)備都要經(jīng)過耐壓試驗(yàn)。但這種測試是一種破壞性的方法，且只能確定絕緣是否滿足短時(shí)間過壓要求。需要研究能夠非破壞性無損監(jiān)測方法，在IGBT模塊工作過程中、在工作電壓下監(jiān)測IGBT狀態(tài)。

2 使用局部放電記錄法監(jiān)測IGBT模塊絕緣參數(shù)的原理

無損監(jiān)測絕緣參數(shù)的方法很多，其中局部放電記錄法比較適合用來對IGBT模塊絕緣參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

圖1 IGBT模塊的典型結(jié)構(gòu)

局部放電是一種低功率放電，持續(xù)時(shí)間幾個(gè)至幾十納秒，在電極之間的絕緣層中建立起電流，但不會使電極之間的電壓發(fā)生顯著變化。局部放電是氣體中的局部雪崩放電，或固態(tài)、液態(tài)絕緣體的微弱擊 穿[1]。IGBT中的復(fù)合材料電介質(zhì)中，無論其工藝如何，都夾雜有氣泡。由于空氣的介電常數(shù)低于復(fù)合材料，氣泡中的場強(qiáng)將大大超過復(fù)合材料中的平均場強(qiáng)。因此，即使在工作電壓下，氣泡中也有電離過程，形成局部放電。局部放電形成寬度為幾個(gè)至幾十納秒的脈沖，使工作電壓幅度減小，形成頻率為10～100 MHz的電磁波，在周圍空間擴(kuò)散。由于形成活性離子、輻射和發(fā)熱，每一次放電都會對絕緣材料產(chǎn)生負(fù)面影響。隨著時(shí)間推移，破壞作用會增大，導(dǎo)致復(fù)合材料逐漸分解和碳化，出現(xiàn)導(dǎo)電粒子，最終破壞絕緣。在絕緣完全擊穿很久之前局部放電就已經(jīng)發(fā)生了，因此對局部放電的監(jiān)測，可在缺陷產(chǎn)生的初期就能對其進(jìn)行監(jiān)測和評估，判斷半導(dǎo)體器件是否能夠可靠工作，達(dá)到實(shí)時(shí)無損監(jiān)測的目的。

可使用圖2中的等效電路來說明復(fù)合材料中局部放電機(jī)理。C0為無缺陷絕緣部分的電容量，Ca為內(nèi)置氣泡電容，Cm為和氣泡串聯(lián)的絕緣的電容量。U為氣泡擊穿電壓。總電容量Ct為：

圖2 復(fù)合材料和氣泡絕緣等效電路

空氣中的場強(qiáng)Ea為：

其中，Em為復(fù)合材料中的場強(qiáng)，εm為復(fù)合材料中的介電常數(shù)，εa為空氣的介電常數(shù)。

由于復(fù)合材料的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于空氣，則氣泡中的場強(qiáng)將大大超過復(fù)合材料中的場強(qiáng)。當(dāng)氣泡中的場強(qiáng)超過擊穿電壓U0時(shí)，就產(chǎn)生局部放電。以工作在交流電壓下的IGBT為例，其局部放電過程如圖3所示。當(dāng)電壓增加達(dá)到擊穿電壓U0時(shí)，氣泡內(nèi)發(fā)生局部擊穿，使電壓下降至U1，局部放電停止。電壓增加，再次達(dá)到擊穿電壓U0，放電過程重復(fù)。電壓在U1和U0之間的變化的持續(xù)時(shí)間，即為局部放電時(shí)間。放電參數(shù)包括局部放電時(shí)間、U1、U0，和缺陷本身密切相關(guān)，可對其進(jìn)行計(jì)算和測量，來評估缺陷的發(fā)展程度。

3 局部放電記錄法無損監(jiān)測IGBT模塊絕緣性能的實(shí)現(xiàn)方式

圖4中給出了局部放電記錄裝置的組成。

可調(diào)高壓電源可產(chǎn)生直流電壓和交流電壓，加到被測IGBT模塊中。從IGBT模塊中取出的電壓進(jìn)行分壓器分壓后，進(jìn)入濾波器，濾除電源頻率成分，剩下高頻脈沖成分。高頻脈沖經(jīng)過放大器放大后送至模擬數(shù)字變換器，將脈沖信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過微處理器處理后，可計(jì)算放電電荷、平均電流、放電脈沖持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，用于后續(xù)計(jì)算機(jī)可視化監(jiān)測。圖中給出了經(jīng)過濾波后得到的局部放電的波形。基于該波形的頻率和幅度，可以對絕緣參數(shù)的好壞給出判斷。

圖3 局部放電過程

圖4 局部放電記錄裝置的組成和測量波形

4 結(jié) 論

使用局部放電記錄法，可對IGBT模塊絕緣性能進(jìn)行無損監(jiān)測，在其初期就能判明，為實(shí)現(xiàn)IGBT模塊監(jiān)測和提高電子設(shè)備可靠性提供了一種新方法。