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驅動(dòng)。由于功率高，動(dòng)作電壓就會(huì )提高，因此1,000V 上下的工作電壓并不少見(jiàn)。各個(gè)IGBT 因時(shí)序分離，其閘級(Gate)與射級(Emitter)間工作偏壓都由獨立隔離變壓器所提供。 此變壓器在動(dòng)作時(shí)，于一二次側之間會(huì )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(xiàn)材本身的崩潰電壓與線(xiàn)間局部放電的起始電壓之差別沒(méi)有足夠認識，造成未能進(jìn)行正確的絕緣能力要求、正確的絕緣設計及生產(chǎn)檢測，導致IGBT毀損或因高壓放電突波在數字端產(chǎn)生各式異常動(dòng)作。

▲圖一. 馬達驅動(dòng)控制電路圖

若此變壓器一二次側間壓差為1,000V_peak方波， 一般非安規的質(zhì)量要求可能設計>2,000V耐壓程度，那使用崩潰電壓>3,000V的線(xiàn)材分別繞在兩側線(xiàn)，即使相鄰也能耐個(gè)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。其原因為一般絕緣皮介電系數都遠高于空氣，導致交流狀態(tài)下在空氣部分之分壓比例較高。在線(xiàn)間空氣分壓達>350V_peak (1atm 氣體短距放電開(kāi)始電位)狀態(tài)，持續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字電路上造成異常干擾而誤動(dòng)作。

▲圖二. 變壓器線(xiàn)圈因持續性電暈放電導致一二次側間線(xiàn)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(jiàn)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)現于電源成品生產(chǎn)測試里。卻在實(shí)際使用環(huán)境經(jīng)常造成IGBT 模塊故障或系統的數字異常誤動(dòng)作等不易直接聯(lián)想的質(zhì)量議題，直到變壓器改善設計或更換才獲得改善。

▲圖三. 高功率電源IGBT控制變壓器持續電暈放電故障實(shí)例

一般變壓器業(yè)者只依據規格進(jìn)行普通耐壓測試，而未針對局部放電(PD)或電氣閃絡(luò )(Flashover)作檢測而導致此類(lèi)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(lèi)議題的發(fā)生，一定得確保在工作條件下無(wú)持續性局部放電(PD)。一般相關(guān)法規(例IEC60747-5-5)精神上會(huì )建議以最高使用可能電位之1.875倍，在生產(chǎn)檢測(數秒程度)無(wú)PD(例PD <15pC) 來(lái)確保長(cháng)久產(chǎn)品質(zhì)量。以1,000V_peak 應用例， 約1.325kVrms @ 60Hz (1.875kV_peak)，PD <15pC 可能是一個(gè)合適的檢測。(p.s.上例發(fā)生問(wèn)題之變壓器實(shí)測局部放電起始電壓PDIV僅約在400Vac，遠低于應有品質(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(cháng)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)，驗證不良位置與設計改善成效。

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