使用局部放电记录法监测IGBT模块绝缘参数的研究

2020-03-21高宽红

通信电源技术 2020年3期

宁波，高歌，高宽红，束成

（1.中国矿业大学，江苏徐州 221000；2.国网江苏省电力有限公司徐州供电分公司，江苏徐州 221000； 3.国网经济技术研究院有限公司徐州勘测设计中心，江苏徐州 221000）

1 无损监测IGBT模块绝缘性能

IGBT模块集成了开关管、控制和保护电路，在电力电子技术中应用越来越广，其可靠性直接影响电力电子系统的整体性能，需要深入研究监测其工作性能的方法。

IGBT模块结构复杂，开关频率高，通过电流大，发热量大，对其组件导电性和导热性提出特殊的要求。IGBT模块的典型结构如图1所示。半导体芯片(晶体管和二极管)焊接在陶瓷板上，芯片引出端和陶瓷板上端子之间通过铝线或铜线连接，再焊接上外部端子。常用的基座是一种参杂有碳化硅的铝合金基质复合材料，导热性和机械强度高，热膨胀系数低，密度小。外部塑料外壳中灌注硅凝胶保护芯片，组成了一个整体，具有一定机械强度、导热、导电和绝缘性能。

IGBT模块的可靠性取决于部件的稳定性。由于模块工作在高压大电流电路中，最薄弱之处是大电流端子1和基座9之间的绝缘。交付验收时电子设备都要经过耐压试验。但这种测试是一种破坏性的方法，且只能确定绝缘是否满足短时间过压要求。需要研究能够非破坏性无损监测方法，在IGBT模块工作过程中、在工作电压下监测IGBT状态。

2 使用局部放电记录法监测IGBT模块绝缘参数的原理

无损监测绝缘参数的方法很多，其中局部放电记录法比较适合用来对IGBT模块绝缘参数进行监测。

图1 IGBT模块的典型结构

局部放电是一种低功率放电，持续时间几个至几十纳秒，在电极之间的绝缘层中建立起电流，但不会使电极之间的电压发生显著变化。局部放电是气体中的局部雪崩放电，或固态、液态绝缘体的微弱击穿[1]。IGBT中的复合材料电介质中，无论其工艺如何，都夹杂有气泡。由于空气的介电常数低于复合材料，气泡中的场强将大大超过复合材料中的平均场强。因此，即使在工作电压下，气泡中也有电离过程，形成局部放电。局部放电形成宽度为几个至几十纳秒的脉冲，使工作电压幅度减小，形成频率为10～100 MHz的电磁波，在周围空间扩散。由于形成活性离子、辐射和发热，每一次放电都会对绝缘材料产生负面影响。随着时间推移，破坏作用会增大，导致复合材料逐渐分解和碳化，出现导电粒子，最终破坏绝缘。在绝缘完全击穿很久之前局部放电就已经发生了，因此对局部放电的监测，可在缺陷产生的初期就能对其进行监测和评估，判断半导体器件是否能够可靠工作，达到实时无损监测的目的。

可使用图2中的等效电路来说明复合材料中局部放电机理。C0为无缺陷绝缘部分的电容量，Ca为内置气泡电容，Cm为和气泡串联的绝缘的电容量。U为气泡击穿电压。总电容量Ct为：

图2 复合材料和气泡绝缘等效电路

空气中的场强Ea为：

其中，Em为复合材料中的场强，εm为复合材料中的介电常数，εa为空气的介电常数。

由于复合材料的介电常数远大于空气，则气泡中的场强将大大超过复合材料中的场强。当气泡中的场强超过击穿电压U0时，就产生局部放电。以工作在交流电压下的IGBT为例，其局部放电过程如图3所示。当电压增加达到击穿电压U0时，气泡内发生局部击穿，使电压下降至U1，局部放电停止。电压增加，再次达到击穿电压U0，放电过程重复。电压在U1和U0之间的变化的持续时间，即为局部放电时间。放电参数包括局部放电时间、U1、U0，和缺陷本身密切相关，可对其进行计算和测量，来评估缺陷的发展程度。

3 局部放电记录法无损监测IGBT模块绝缘性能的实现方式

图4中给出了局部放电记录装置的组成。

可调高压电源可产生直流电压和交流电压，加到被测IGBT模块中。从IGBT模块中取出的电压进行分压器分压后，进入滤波器，滤除电源频率成分，剩下高频脉冲成分。高频脉冲经过放大器放大后送至模拟数字变换器，将脉冲信号转换为数字信号，经过微处理器处理后，可计算放电电荷、平均电流、放电脉冲持续时间等参数，用于后续计算机可视化监测。图中给出了经过滤波后得到的局部放电的波形。基于该波形的频率和幅度，可以对绝缘参数的好坏给出判断。