礦用高壓變頻器中IGBT模塊在階躍脈沖下局部放電特性

王彥文，馮琛，2，陳鵬，高志宣，孫燕盈，王樂

1.中國礦業(yè)大學(北京)機電與信息工程學院，北京 100083；2.美國俄亥俄州立大學 高電壓實驗室，俄亥俄州 哥倫布 43210

目前，礦用高壓變頻器在煤礦中的應用越來越廣泛[1-4]，而大功率高耐壓IGBT模塊的可靠性與煤礦安全生產(chǎn)密切相關。通過檢修拆解損壞的高壓變頻器發(fā)現(xiàn)，設備故障多是由于IGBT模塊燒毀導致的，IGBT模塊工作時內(nèi)部發(fā)生局部放電、擊穿和短路等現(xiàn)象是造成模塊損壞的主要原因[6-7]。隨著寬禁帶材料IGBT功率模塊的推廣和普及，煤礦設備中的IGBT功率模塊以更高的開關速度運行，其電壓上升速率(dv/dt)高于100 kV/μs[8-10]。這樣的開關電壓速率產(chǎn)生的PWM方波脈沖上升沿斜率極高，可將其看作階躍脈沖。在階躍脈沖作用下，模塊內(nèi)部更可能發(fā)生局部放電現(xiàn)象(Partial Discharge，PD)使模塊損壞，進而導致設備故障[7，11]。因此，階躍脈沖對礦用電力電子設備中的電力電子模塊的可靠性、煤礦生產(chǎn)的安全性具有重要影響，必須對其進行深入的前瞻性研究。

分析表明，采用寬禁帶材料的IGBT模塊的最弱絕緣點是陶瓷基板上的3種材料的交界處，該結點由陶瓷基板、銅板和硅膠組成。由于電場畸變，局部放電通常從銅板和陶瓷基板之間的邊緣開始，然后傳播到硅膠中[12-13]。放電會使硅膠絕緣材料分解，最終導致?lián)舸Ｒ虼?，有必要研究該部位的局部放電行為。但大多?shù)硅膠的局部放電研究是通過棒-板或針-板電極模型完成的[14-15]，這種模型只能模擬硅膠的局部放電特性，其模型結構不能完全代表內(nèi)部模塊真實的絕緣結構，也沒有考慮煤礦井下高溫、潮濕等惡劣環(huán)境，不能作為高電壓上升速率的IGBT模塊絕緣設計的參考。

現(xiàn)有研究更多集中在電壓上升速率不高于23 kV/μs的直流電壓、交流電壓或方波電壓[16-20]。基于寬禁帶材料模塊電力電子開關模塊中的硅膠絕緣材料會受到超高電壓上升速率(高于50 kV/μs) 的階躍脈沖電壓的影響[21]，可能導致未知的局部放電機理。由于能夠產(chǎn)生這種激勵的脈沖發(fā)生器有限，對在超短電壓上升時間的階躍脈沖電壓作用下的局部放電現(xiàn)象研究也很少。

為了解決上述問題，探究在超高斜率的階躍脈沖下IGBT模塊中的局部放電特性，通過模塊結構、燒毀模塊局部放電部位的研究和微觀層面分析局部放電產(chǎn)生的原因，筆者提出了一種局部放電模型，解釋了局部放電發(fā)生機理；基于單脈沖下的局部放電實驗，研究了脈沖寬度和上升時間2個因素對局部放電的影響；提出了用于預測局部放電起始電壓(Partial Discharge Initial Voltage，PDIV)的預測公式，并進行了驗證；通過分析超短上升時間的階躍脈沖信號激勵下IGBT模塊內(nèi)部的局部放電引發(fā)機制，為礦用中低壓電力電子模塊的封裝和絕緣設計提供參考。

1 IGBT模塊內(nèi)部結構和發(fā)生局部放電的位置

1.1 IGBT模塊內(nèi)部結構

IGBT模塊內(nèi)發(fā)生的局部放電現(xiàn)象是其內(nèi)部結構和其承受的電壓、電流、溫度等環(huán)境因素共同作用的結果[6-7]。因此，需要對IGBT模塊的內(nèi)部結構進行分析。

經(jīng)過拆解的、完好的IGBT模塊封裝內(nèi)部結構如圖1所示。其主要由三部分構成：陶瓷基板、銅排和用于絕緣屏蔽的附著在上層的硅膠絕緣材料[7]。

圖1 IGBT模塊封裝內(nèi)部結構Fig.1 Internal structure of IGBT module package

1.2 IGBT模塊內(nèi)部局部放電位置

對已損壞的IGBT模塊進行拆解，發(fā)現(xiàn)IGBT模塊發(fā)生擊穿或局部放電的部位是陶瓷基板上3種材料的交界處(圖2)，該結點由陶瓷基板、銅板和硅膠組成[22]。研究發(fā)現(xiàn)，IGBT模塊運行過程中有大功率高壓的PWM方波脈沖，特別是采用寬禁帶材料的IGBT模塊存在更高斜率的階躍脈沖，這些脈沖是導致發(fā)生局部放電現(xiàn)象的原因[7]。由于電場畸變，局部放電通常從銅板和陶瓷基板之間的邊緣開始，然后傳播到硅膠中[12]。放電會導致硅膠絕緣材料分解，最終被擊穿。

圖2 局部放電發(fā)生部位Fig.2 Where partial discharge occurs

1.3 局部放電發(fā)生部位微觀結構

由于局部放電發(fā)生在硅膠、陶瓷基板和銅板組成的交界處[22]，因此通過掃描電子顯微鏡(SEM)對該結構交界處進行觀察。圖3(a)為硅膠的微觀結構，其由交聯(lián)的彈性骨架、未交聯(lián)的硅油和吸收的水分子組成[34]，表面質(zhì)量比高，對水分子的親和力強，已被廣泛用作絕緣材料和干燥劑；圖3(b)為SEM顯示放大的材料交界的表面結構，使用燒制或化學蝕刻技術制造導電銅層，因此在銅表面會有幾微米的凸出間隙。

硅膠絕緣材料框架結構和交界處的縫隙，導致在該點的絕緣較弱。當IGBT模塊工作時，會產(chǎn)生超高斜率的脈沖，在脈沖的作用下該點容易發(fā)生局部放電現(xiàn)象。

圖3 顯微鏡下局部放電常發(fā)生部位的材料微觀結構Fig.3 Microstructure of materials at common sites under a microscope

2 IGBT模塊內(nèi)部的局部放電過程模型

根據(jù)顯微鏡結果，提出了一種局部放電過程模型(圖4)，用于解釋模塊內(nèi)交界處硅膠絕緣材料所產(chǎn)生的局部放電現(xiàn)象。由于可供觀察的樣品數(shù)量有限，本文所述的電路板樣品只能代表在變頻器或MMC中采用寬禁帶材料的IGBT模塊。

硅膠中的局部放電是由流體組分(硅油)中的氣泡膨脹引發(fā)的，其膨脹受到彈性框架及其高密度電荷載流子陷阱的限制。硅膠中局部放電發(fā)生過程分4個階段。

圖4 局部放電發(fā)生過程Fig.4 Partial discharge process

(1) 階段1：氣泡形成。初始狀態(tài)的氣泡是通過預先存在的微小氣泡(無法通過真空完全去除)和汽化水的膨脹產(chǎn)生的。陰極電場發(fā)射和負電性物質(zhì)(水分子、雜質(zhì)等)解離產(chǎn)生初始電子，該階段中電子的平均自由程極短，未達到局部放電條件，所以難以啟動局部放電。但在幾百納秒的脈沖電壓下，電子電流會產(chǎn)生焦耳熱。

(2) 階段2：氣泡膨脹。由于高密度的電荷陷阱，高能電子將被驅(qū)動并附著在氣泡壁和陶瓷表面。重的正離子將被留下，并進一步增加陰極場強。由于初始氣泡被拉長，外部電場隨距離的增加而急劇減小，被俘獲的電子與正離子之間的電場將明顯高于外部電場，因此氣泡內(nèi)部的電場將與外部電場呈相反的方向。

(3) 階段3：氣泡中的反向放電。氣泡內(nèi)部的氣壓會隨著氣泡的膨脹而降低。如果內(nèi)部電場Ein高于外部電場Eex，則會在捕獲的電子和正離子之間產(chǎn)生電勢差，觸發(fā)氣泡內(nèi)部的反向放電。因此，測得的電流具有負極性。同時，由于激發(fā)狀態(tài)下的離子自發(fā)衰減，可檢測到光信號[27]。此外，由于電荷重新結合，內(nèi)部電場相對于外部電場減小，放電現(xiàn)象被熄滅。

(4) 階段4：電荷重組氣泡破裂。在去除外部電壓后，壓力不平衡和固體結構的彈力將導致氣泡破裂。

在整個過程中，硅膠內(nèi)部所形成氣泡的壽命為幾微秒[23]。綜上所述，推測該局部放電過程與一個脈沖階段的對應關系如圖5所示?；诒疚奶岢龅哪Ｐ涂傻贸觯}沖電壓的上升時間將影響氣泡形成(階段1)和氣泡膨脹(階段2)。

圖5 單個脈沖階段電壓與局部放電電流對應關系Fig.5 Single pulse phase corresponding to PD

圖6 電壓上升速率對氣泡膨脹過程的影響Fig.6 Rise time effect on bubble expansion process

在較高的電壓上升速率下，電壓可在較短的時間超過PD起始的閾值靜態(tài)電壓，從而導致氣泡成形的可能性更高。上升時間對氣泡膨脹過程的影響如圖6所示。如果激勵電壓具有較陡的上升沿，則陰極電場產(chǎn)生的初始電子更集中，氣泡形狀更長。電子橫向擴散，電場失真嚴重，電子能量分布函數(shù)(Electron Energy Distribution Function，EEDF)將向高能量一側移動。隨著電場距離的增加，外部電場Eex迅速減小，內(nèi)部電場Ein傳導局部放電信號，導致PDIV降低40%～50%。

3 IGBT模塊內(nèi)部局部放電特性實驗

3.1 實驗平臺搭建

為分析測試IGBT模塊內(nèi)部局部放電特性，搭建了模塊內(nèi)部局部放電實驗平臺，其實驗原理如圖7所示。

測試品為IGBT模塊，將其放入法拉第籠中，用于防止噪聲干擾。在實驗系統(tǒng)中加入電源濾波、隔離變壓器和共模扼流圈，用于限制由開關模塊引起的傳導和輻射EMI噪聲。

HFCT—高頻電流傳感器；PMT—紫外探測儀；RL—限流電阻；RX—泄流電阻；RS—50 Ω的采樣電阻圖7 局部放電實驗原理Fig.7 Partial discharge test system

脈沖發(fā)生器由光信號控制的10 kV SiC材料模塊搭建[28]。脈沖發(fā)生器在4.8 kV內(nèi)的上升速率可以達到120 kV/μs。根據(jù)不同的柵極控制信號，脈沖源生成具有不同脈沖寬度的單個脈沖或具有各種頻率和占空比的重復脈沖。產(chǎn)生的脈沖上升時間可由柵極電阻控制。圖8為使用的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的具有不同上升時間的重復脈沖激勵和單脈沖激勵。

圖8 脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的重復脈沖和單個脈沖Fig.8 Repeated pulses and single pulses produced by pulse generator

當局部放電現(xiàn)象發(fā)生時，會有聲、光等現(xiàn)象，而紫外光線增強管(PMT)具有良好的抗干擾能力，可觀測到發(fā)生局部放電所產(chǎn)生的光信號，因而選用PMT作為局部放電測試的第二傳感器，用以校準所測信號是否為局部放電信號[29]。采用50 Ω采樣電阻和200 MHz高頻電流互感器(HFCT)同時測量電流，以獲得局部放電脈沖電流。局部放電信號的檢測分辨率為1 pC。圖9為搭建的局部放電測試系統(tǒng)實驗平臺。

圖9 局部放電測試系統(tǒng)實驗平臺Fig.9 Setup of partial discharge test system

3.2 實驗流程

環(huán)境濕度和溫度會干擾局部放電的發(fā)生。為模擬煤礦中IGBT模塊真實的工作環(huán)境，實驗前需控制環(huán)境濕度和溫度與煤礦井下環(huán)境相同，并保證所有實驗數(shù)據(jù)均在相同的濕度和溫度環(huán)境下獲得[32]。

實驗前需初始化設備，設置單周期采樣時間、采樣頻率和各采樣通道量程等測試參數(shù)。通過調(diào)節(jié)高速數(shù)字示波器水平基準完成實驗中的相位校準。實驗時，接通電源，啟動10 kV脈沖發(fā)生器；閉合斷路器K1，使高壓階躍脈沖加在被測試品(IGBT模塊電路)兩端；測試時，利用紫外探測儀PMT、高壓探頭和高頻電流傳感器HFCT采集各項數(shù)據(jù)[33-34]，每次以50 V階梯形式升高電壓，觀察是否產(chǎn)生局放信號；當發(fā)現(xiàn)局部放電信號后，同步采集電壓和局部放電電流信號，記錄實驗的波形信息，并在后期對數(shù)據(jù)進行頻域和時域分析。實驗測試流程如圖10所示。

圖10 實驗測試流程Fig.10 Flow chart of system multi-cycle test

4 局部放電實驗數(shù)據(jù)及特性分析

4.1 單脈沖下局部放電信號

通過實驗獲得的單脈沖激勵局部放電信號波形如圖11所示。圖11中淺藍色信號為紫外探測儀PWT電壓信號，綠色信號為高頻電流傳感器CT電流信號，深藍色為施加的脈沖電壓信號。由圖11(a)可看出，在階躍脈沖電壓下，2個局部放電電流脈沖(虛線框內(nèi)的綠色信號)在電壓高電平和電壓下降沿，分別為第1次和第2次局部放電電流脈沖；由圖11(b)(c)可看出，2次局部放電電流信號的放大波形與圖8所示的結果對應，驗證了所提模型的正確性。每次局部放電電流的極性與電容性電流極性相反，但第1次局部放電的放電量和光效應幅度均大于第2次局部放電的放電量和光效應幅度。

圖11 單脈沖激勵局部放電信號波形Fig.11 PD results under single pulse voltage

4.2 脈沖上升時間對局部放電的影響

為分析脈沖的上升時間對局部放電的影響，實驗中控制不同的脈沖寬度，測試并記錄在不同電壓上升時間下的局部放電起始電壓(PDIV)數(shù)據(jù)。在不同脈沖寬度下，PDIV與上升時間之間的關系如圖12所示。當脈沖寬度小于300 μs時，上升時間對局部放電的影響明顯。在本文實驗范圍內(nèi)，PDIV隨上升時間的增加而線性增加，曲線的斜率隨脈沖寬度的減小而增加。此外，隨著電壓上升時間增大，PDIV的偏差也會增大。

圖12 PDIV受電壓上升時間的影響Fig.12 PDIV affected by the voltage rise time

4.3 脈沖寬度對局部放電的影響

為分析脈沖寬度對局部放電的影響，實驗測試了在不同上升時間的脈沖電壓下脈沖寬度與PDIV的關系，如圖13所示。PDIV隨總體脈沖寬度的增加而下降；但隨脈沖寬度的縮短，脈沖電壓上升時間對PDIV的影響顯著增強。當脈沖寬度不變，脈沖電壓上升時間為100 ns時，PDIV下降了20%；而保持脈沖電壓上升時間不變，調(diào)節(jié)脈沖寬度為20 μs時，PDIV下降了200%。但當脈沖寬度超過500 μs時，脈沖電壓上升時間對PDIV的影響則不明顯。

圖13 PDIV與脈沖寬度的關系Fig.13 Relationship between the PDIV and the width pulse

當脈沖激勵電壓作用于試品兩端時，并非立即發(fā)生局部放電現(xiàn)象，而是有一定的時間延遲(時滯)，這與脈沖的寬度相關。圖14為不同脈沖寬度下時滯和表面電荷量的關系擬合曲線。時滯隨著脈沖寬度的增加而增加，而表面電荷顯示出不規(guī)則的變化模式。當脈沖寬度大于300 μs時，時滯的偏差會更大，表面電荷分布在20～680 pC內(nèi)。

圖14 不同脈寬下時滯和電荷量關系Fig.14 Apparent charge and time delay on different pulse width

上述現(xiàn)象可通過形成區(qū)域理論解釋。當被測樣品受到脈沖激勵電壓的應力時，產(chǎn)生初始電子，導致硅膠氣泡內(nèi)電子的雪崩。施加的脈沖激勵電壓必須大于靜態(tài)啟動電壓Uth，且持續(xù)時間要大于統(tǒng)計時滯ts和形成時滯ta的總和，以使局部放電發(fā)生[27]。在脈沖激勵電壓下，通過施加電壓，時間積分的“形成區(qū)域”在均勻或略微不均勻的場中保持恒定[16]?！靶纬蓞^(qū)域”的面積計算公式為

(1)

式中，S為“形成區(qū)域”的面積；u(t)為施加的電壓。

局部放電的單脈沖激勵下的“形成區(qū)域”如圖15所示。將施加的脈沖激勵電壓分成兩部分：t1時間段脈沖激勵電壓增加的綠色區(qū)域S1和t2時間段脈沖激勵靜態(tài)電壓的黃色區(qū)域S2。如果施加的電壓超過局部放電起始閾值靜態(tài)電壓Uth，則該電壓開始對電子傳播產(chǎn)生影響。

圖15 單脈沖下的局部放電“形成區(qū)域”Fig.15 “Forming area” of PD under the single pulse

隨著脈沖寬度的增加，時間t2逐漸增大。因此，當脈沖寬度較大時，t2遠大于t1，t2積分的面積S2遠大于t1積分的面積S1，PDIV僅受脈沖寬度影響；當脈沖寬度較小時，面積S1約等于S2，PDIV則主要受上升時間的影響。例如，在脈沖寬度為20 μs的情況下，高電平平均時間延遲為4 μs，面積S1與S2接近，上升時間對PDIV具有顯著影響。

4.4 PDIV的預測公式

上述實驗驗證了本文提出的局部放電過程模型的正確性，表明脈沖電壓上升時間和脈沖寬度分別影響局部放電的起始電壓。如果不通過復雜實驗即可計算和預測PDIV，這將有利于研究人員和產(chǎn)品設計人員提前了解局部放電特性[35]。根據(jù)前面的討論，在恒定脈沖寬度的情況下，脈沖上升時間對PDIV的影響是線性的。因此，提出預測局部放電起始電壓方程為

UPDIV=fα(tw)tr+fβ(tw)=αtr+β

(2)

式中，UPDIV為不同脈沖上升時間和脈沖寬度下局部放電起始電壓的平均值；tw和tr分別為脈寬時間和上升時間；α為曲線斜率；β為tw相關的曲線截距。

根據(jù)式(2)，局部放電起始電壓和上升時間關系的擬合曲線如圖16所示。由圖16可知，所有的擬合曲線都與實驗結果吻合。擬合曲線的曲線斜率α和截距β的值見表1。

圖16 不同脈沖寬度下局部放電起始電壓和上升時間關系的擬合曲線Fig.16 Fitted curves of relationship between rise time and PDIV

表1 擬合曲線的斜率和截距

曲線斜率α和脈沖寬度tw的關系曲線如圖17所示。曲線斜率的計算公式為

(3)

式中，Aα、Bα和Cα為常數(shù)。

圖17 曲線斜率α和脈沖寬度tw的關系曲線Fig.17 Relationship between curve slope and pulse width

同樣，曲線截距和脈沖寬度的關系曲線如圖18所示。曲線截距計算公式為

(4)

(5)

式中，Aβ、Bβ和Cβ為常數(shù)

圖18 截距β與脈沖寬度的關系曲線Fig.18 Relationship between pulse width and curve interception

本文列出的局部放電起始電壓方程中脈沖上升時間均小于200 μs，計算時，tr的取值范圍應小于200 μs；當脈沖上升時間趨于零時，曲線截距β的值就是PDIV。

根據(jù)上述結論，僅當脈沖寬度小于300 μs時，脈沖上升時間才對PDIV產(chǎn)生影響。因此，式(5)的限制邊界應分為脈沖寬度小于300 μs和脈沖寬度大于300 μs兩部分。

結合式(2)、式(3)和式(5)，得出脈沖上升時間和脈沖寬度的PDIV的預測公式為

(6)

由式(6)獲得的擬合曲線常數(shù)取值見表2。

表2 擬合曲線各常數(shù)取值

PDIV實驗結果和預測公式的計算結果如圖19所示。紅點是實驗數(shù)據(jù)，藍色平面為通過式(6)繪制的曲面。由圖19可知，本文提出的預測公式可以很好地擬合實驗結果。

圖19 實驗結果與預測公式計算結果Fig.19 PDIV experiment results and calculation results based on fitting formula

5 結 論

(1) 對于單脈沖激勵，如果脈沖寬度小于300 μs，則PDIV隨上升時間的增加而變?。幻}沖上升時間不變，PDIV隨著脈沖寬度的增加而下降；時滯隨著脈沖寬度增加而增加；表面電荷呈現(xiàn)不規(guī)則的變化。

(2) 提出了IGBT模塊內(nèi)部局部放電的過程模型，可準確揭示IGBT模塊內(nèi)部發(fā)生的局部放電機理。脈沖上升時間對PDIV的影響可以通過所提局部放電模型中氣泡膨脹的幾何形狀來解釋。

(3) 提出了PDIV預測公式，計算結果與實驗結果吻合。