寬頻高壓脈沖參數(shù)對(duì)聚酰亞胺薄膜局部放電特性的影響

劉暢，卞偉杰，張興，顧亞楠，吳淑群，張潮海

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211106)

0 引言

隨著柔性直流輸電工程的發(fā)展，絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)已應(yīng)用于高壓換流閥[1]。現(xiàn)有IGBT電壓等級(jí)已提高到了6.5 kV以上[2—3]，其絕緣性能是關(guān)系到換流閥能否正常安全運(yùn)行的重要因素[4]。不同于常規(guī)的交/直流電應(yīng)力，IGBT器件承受高電壓脈沖電應(yīng)力作用，其絕緣狀態(tài)檢測(cè)和老化評(píng)估與高壓脈沖參數(shù)息息相關(guān)。其中，局部放電特性對(duì)絕緣狀態(tài)檢測(cè)與老化評(píng)估至關(guān)重要。因此，研究脈沖電應(yīng)力作用下IGBT絕緣材料的局部放電特性尤為重要。

脈沖電壓幅值、頻率、上升沿、占空比是影響局部放電特性的關(guān)鍵因素。文獻(xiàn)[5]指出在實(shí)驗(yàn)溫度28 ℃，頻率1 kHz的脈沖電壓下，聚酰亞胺薄膜在0.7～2 kV脈沖電壓幅值變化范圍內(nèi)平均放電量和單個(gè)周期內(nèi)的放電次數(shù)隨著電壓的增大而增加。文獻(xiàn)[6]指出在電壓峰峰值3 kV，實(shí)驗(yàn)溫度160 ℃條件下，電機(jī)絞線在脈沖頻率1～15 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率增大，電應(yīng)力會(huì)造成局部放電平均放電量增大；文獻(xiàn)[7]在電壓峰峰值3 kV，實(shí)驗(yàn)溫度25 ℃條件下，對(duì)聚酰胺酰亞胺絞線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在脈沖頻率0.5～10 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率升高局部放電幅值顯著減小而局部放電相位增加。文獻(xiàn)[8]在脈沖頻率1 kHz，電壓峰峰值3 kV，上升沿10～100 ns的實(shí)驗(yàn)條件下，發(fā)現(xiàn)隨著上升沿時(shí)間增加，雙絞線局部放電幅值減小，相位增大；文獻(xiàn)[9—10]指出在脈沖頻率50 Hz，電壓3 kV，實(shí)驗(yàn)溫度100 ℃的條件下，在上升沿20 ns～1 μs的范圍內(nèi)，隨上升沿時(shí)間的縮短，雙絞線放電幅值增大，單個(gè)周期放電總量減少。文獻(xiàn)[11—12]指出在脈沖頻率50 Hz，實(shí)驗(yàn)溫度25 ℃，聚酰亞胺漆包線在脈沖持續(xù)時(shí)間8～100 μs條件下，上升沿放電相位隨占空比增加而減小，下降沿放電相位隨占空比增加而增大；文獻(xiàn)[13]指出在脈沖頻率10 kHz，實(shí)驗(yàn)溫度25 ℃的條件下，漆包線在占空比5%～50%的范圍內(nèi)，上升沿附近的局部放電幅值隨占空比增加而減小且分散性逐漸減小，下降沿附近的放電幅值隨電壓占空比增加而增大且分散性逐漸增大。

綜上所述，脈沖參數(shù)對(duì)絕緣材料的局部放電特性影響研究已較為成熟，但仍存在以下不足：(1)現(xiàn)有研究的脈沖頻率局限在50 Hz～15 kHz范圍內(nèi)，無法反映脈沖頻率為20 kHz及以上時(shí)的局部放電特性；(2)上升沿對(duì)局部放電特性的研究主要集中在脈沖頻率1 kHz以下，無法反映1 kHz以上的頻率條件對(duì)局部放電的影響；(3)占空比對(duì)局部放電特性的影響的研究對(duì)象集中于電機(jī)匝間漆包線，未展開針對(duì)其他材料的研究。

因此，文中選取IGBT器件中聚酰亞胺薄膜為研究對(duì)象，研究了寬脈沖參數(shù)范圍下電壓幅值、頻率、上升沿、脈寬對(duì)聚酰亞胺薄膜局部放電特性的影響。

1 局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意如圖1所示，該平臺(tái)包含納秒脈沖電源系統(tǒng)、球板電極放電裝置、固體絕緣材料(100 μm厚的聚酰亞胺薄膜)、局部放電傳感系統(tǒng)，以及溫濕度控制系統(tǒng)。利用具有干燥、控溫功能的空調(diào)控制環(huán)境溫度和濕度，將電極附近(0.5 m)的環(huán)境溫度和濕度分別始終保持為(23±2)℃和(50±5)%。

圖1 局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Partial discharge experimental platform

高頻脈沖電源與球板電極裝置之間接入了2個(gè)并聯(lián)的5 kΩ電阻，電極的另一端直接接地。利用高壓探頭測(cè)試放電裝置兩端的電壓，高頻脈沖電流傳感器測(cè)量由電極流入大地的電流，并將電壓與電流信號(hào)傳入示波器，再通過示波器的USB端口將數(shù)據(jù)傳至PC系統(tǒng)。結(jié)合PC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的LabVIEW局放統(tǒng)計(jì)程序，可以獲得局部放電統(tǒng)計(jì)圖譜。

利用高壓探頭Tektronix P6015A測(cè)量球板電極兩端電壓。利用電流探頭Pearson 2877測(cè)量接地側(cè)的電流，其帶寬為200 MHz，響應(yīng)時(shí)間為2 ns，能夠?qū)植糠烹娦盘?hào)進(jìn)行精確測(cè)量。所采集的電壓、電流信號(hào)由TektronixMDO3034示波器進(jìn)行記錄。采用的高頻高壓脈沖電源輸出參數(shù)范圍為：電壓0～15 kV，頻率1 Hz～100 kHz，上升沿50～500 ns，脈寬500 ns～1 ms，有利于研究大參數(shù)范圍內(nèi)的脈沖電應(yīng)力對(duì)局部放電特性的影響。

選取0.1 mm的Kapton聚酰亞胺薄膜為絕緣材料。根據(jù)GB/T 22689—2008，提前一天取出厚0.1 mm、寬80 mm的聚酰亞胺薄膜卷，裁出長(zhǎng)80 mm的聚酰亞胺薄膜試樣，用在96%乙醇浸泡5 min并自然晾干的軟毛刷清潔試樣表面，將空調(diào)開至25 ℃除濕模式，使試樣保持在溫度為(23±2)℃，相對(duì)濕度為(50±5)%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境大氣中處理至少24 h。

為了模擬IGBT器件封裝中金屬鍍膜表面凸點(diǎn)(缺陷)與絕緣材料之間構(gòu)成的稍不均勻電場(chǎng)，文中設(shè)計(jì)了不均勻系數(shù)[14]為1.7的球板放電裝置?；贑OMSOL有限元仿真軟件，搭建了放電裝置的電場(chǎng)仿真二維模型，模擬了固體介質(zhì)為100 μm厚聚酰亞胺薄膜的球板電極放電裝置的靜電場(chǎng)空間分布，如圖2所示，最大電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到5.1×107V/m。

圖2 電場(chǎng)的仿真結(jié)果及實(shí)際放電現(xiàn)象Fig.2 Simulation results of electric field and actual discharge phenomena

仿真發(fā)現(xiàn)，電場(chǎng)最強(qiáng)的位置位于電極與聚酰亞胺薄膜之間的空氣間隙中，而不是球電極的頂端。實(shí)驗(yàn)過程中紫色光圈放電出現(xiàn)在靠近球電極頂端附近的空氣間隙中，與仿真結(jié)果中最大電場(chǎng)強(qiáng)度位置相同，并伴隨放電聲。

2 局部放電信號(hào)測(cè)量

在實(shí)際局部放電測(cè)量過程中，即使未發(fā)生局部放電，電流探頭也能測(cè)到峰值高達(dá)數(shù)百毫安的位移電流，遠(yuǎn)大于局部放電引起的放電電流。另外，位移電流主要集中在電壓脈沖的上升沿和下降沿處，與局部放電引起的放電電流位置重疊。因此，為了能夠獲得真實(shí)的局部放電信號(hào)，必須去除位移電流的影響。

實(shí)驗(yàn)裝置可進(jìn)行RLC電路等效，其示意見圖3。其中，R為保護(hù)電阻；L為線路電感；C為電極間的等效電容；R′為電極間的等效電阻(遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于保護(hù)電阻)；US為電源電壓。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等效RLC電路Fig.3 Equivalent RLC circuit of experimental platform

從電路的時(shí)域分析角度計(jì)算，當(dāng)US為階躍函數(shù)時(shí)，流經(jīng)負(fù)載電極裝置的電流[15]為：

(1)

式中：p1，p2為特征根，其數(shù)值由電路自身RLC參數(shù)決定。由式(1)可見，同一時(shí)刻的位移電流與施加的電壓幅值呈線性關(guān)系，并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此，通過測(cè)量未發(fā)生局部放電情況下的位移電流，再乘以比例系數(shù)k，即可獲得發(fā)生局部放電時(shí)的位移電流。然后，在總電流波形中減去位移電流，獲得真實(shí)局部放電引起的放電電流。

如圖4所示，放電電流與位移電流都為脈沖波形，都主要集中在電壓脈沖的上升沿和下降沿，兩者發(fā)生了重疊。另外，放電電流的幅值約為0.2 A，遠(yuǎn)小于位移電流幅值。值得注意的是，以電壓脈沖上升沿為相對(duì)時(shí)間起點(diǎn)，位移電流波形峰值比放電電流波形峰值出現(xiàn)更早，大約為71.2 ns。該發(fā)現(xiàn)可為去除位移電流波形影響提供新的解決方案。

圖4 干擾電流和全電流及放電電流波形Fig.4 Interference current,full current and discharge current waveform

另外，通過電流波形的傅里葉分析，發(fā)現(xiàn)位移電流的頻譜主要集中在13.5 MHz，20.5 MHz，28 MHz，而放電電流的頻譜主要集中在13.5 MHz，20.5 MHz，28 MHz，33 MHz，49 MHz，62 MHz，兩者有相互重疊部分，因此難以使用超高頻傳感方法直接測(cè)量脈沖電應(yīng)力下的局部放電信號(hào)。

為盡量減少納秒脈沖電源引起的空間電磁輻射和傳導(dǎo)干擾，采取下述措施：(1)將采集系統(tǒng)的地與高壓脈沖電源的地分開，避免共地帶來的脈沖傳導(dǎo)干擾；(2)在電流信號(hào)傳感部分，采用帶屏蔽金屬網(wǎng)的射頻線纜傳輸信號(hào)，并在末端進(jìn)行了50 Ω阻抗匹配，減少了空間電磁輻射耦合進(jìn)入線纜和電磁波來回反射；(3)為進(jìn)一步減弱空間電磁輻射對(duì)采集系統(tǒng)的干擾，將采集系統(tǒng)放置在金屬屏蔽箱內(nèi)，理論上能夠?qū)?.1～1 GHz電磁信號(hào)實(shí)現(xiàn)30 dB衰減。

3 高電壓脈沖參數(shù)對(duì)聚酰亞胺薄膜局放特性的影響分析

采用局部放電統(tǒng)計(jì)譜圖法，研究電壓幅值、脈沖重復(fù)頻率、脈寬及上升沿對(duì)局部放電特性的影響。在統(tǒng)計(jì)譜圖繪制過程中，每個(gè)電壓脈沖內(nèi)固定為2次放電(上升沿和下降沿處各1次)，只考慮放電電流峰值大小及出現(xiàn)的延時(shí)。其中，延時(shí)為相對(duì)電壓脈沖上升沿信號(hào)觸發(fā)的電流峰值出現(xiàn)時(shí)間。相對(duì)幅值是放電電流幅值除以采集的多個(gè)脈沖周期內(nèi)最大放電電流幅值。

3.1 電壓幅值對(duì)聚酰亞胺薄膜局放特性的影響

固定脈沖頻率為3 kHz，脈寬為1 μs，上升沿和下降沿時(shí)間都為136 ns，采集聚酰亞胺薄膜在不同電壓幅值下500個(gè)周期內(nèi)的放電時(shí)延及放電電流幅值。以數(shù)百個(gè)周期內(nèi)的放電電流幅值的平均值和放電時(shí)延平均值為數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)6組不同電壓幅值下的上升沿放電幅值以及放電時(shí)延進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到局部放電統(tǒng)計(jì)特性與電壓幅值的關(guān)系，即圖5?？梢姡S著薄膜兩端電壓幅值的增大，上升沿局部放電幅值由0.38 A逐漸增大至0.95 A。當(dāng)電壓幅值由3.12 kV上升至4.4 kV時(shí)，上升沿放電時(shí)延明顯減?。划?dāng)電壓幅值繼續(xù)升高時(shí)，上升沿時(shí)延變化不明顯。

圖5 不同電壓幅值下的放電幅值與放電時(shí)延Fig.5 Discharge amplitude and discharge delay at different voltage amplitudes

3.2 脈沖頻率對(duì)聚酰亞胺薄膜局放特性的影響

固定電壓幅值3 kV，脈寬為500 ns，上升沿和下降沿時(shí)間都為136 ns，采集聚酰亞胺薄膜在不同脈沖頻率(1 kHz,20 kHz,100 kHz)下500個(gè)周期內(nèi)的放電時(shí)延及放電電流幅值。

如圖6所示，上升沿處放電電流相對(duì)幅值主要分布在0.5～1.0范圍內(nèi)，受脈沖頻率的影響較小，下降沿處放電電流幅值比上升沿處放電電流幅值相對(duì)更小。頻率1 kHz下上升沿處放電電流峰值出現(xiàn)的時(shí)間位置主要集中在50～70 ns；20 kHz頻率下上升沿處放電電流峰值出現(xiàn)的時(shí)間位置主要集中在75～100 ns；100 kHz下上升沿處放電電流峰值出現(xiàn)的時(shí)間位置主要集中在110～200 ns。因此，隨著脈沖頻率的增大，上升沿處局部放電引起的放電電流幅值分布更加分散，放電時(shí)延增大。

圖6 不同電壓頻率下局部放電散點(diǎn)圖Fig.6 Scatter plots of partial discharges at different voltage frequency

以數(shù)百個(gè)周期內(nèi)的放電電流幅值的平均值和放電時(shí)延平均值為數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)5組不同脈沖頻率下的上升沿放電幅值及放電時(shí)延進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到局部放電統(tǒng)計(jì)特性與電壓幅值的關(guān)系曲線，即圖7。隨著脈沖頻率的增大，上升沿的放電時(shí)延由60 ns逐漸增大至140 ns，放電時(shí)延明顯增大；脈沖頻率對(duì)放電幅值影響微弱，局部放電電流幅值基本穩(wěn)定在0.2 A。

圖7 不同電壓頻率下的放電幅值與放電時(shí)延Fig.7 Discharge amplitude and discharge delay at different voltage frequency

3.3 上升沿時(shí)間對(duì)聚酰亞胺薄膜局放特性的影響

為了研究脈沖上升沿變化對(duì)局部放電特性的影響，將電壓幅值、下降沿及頻率等參數(shù)保持不變，結(jié)果見圖8。由圖8可知，脈沖電壓上升沿時(shí)間從136 ns增長(zhǎng)至300 ns，其余參數(shù)保持不變。

圖8 脈沖電源在不同上升沿下的空載輸出Fig.8 No-load output of pulse power under different rising edges

固定脈沖電壓3 kV，脈沖頻率3 kHz，脈寬為1 μs，下降沿時(shí)間為50 ns。由于電極裝置為容性負(fù)載，電極兩端的電壓上升時(shí)間受電容影響，與電源空載輸出的脈沖上升沿不一致。文中分析討論的數(shù)據(jù)為電極兩端實(shí)際承受的脈沖電壓上升沿。在不同上升沿時(shí)間(230 ns,330 ns,400 ns)下，采集聚酰亞胺薄膜在500個(gè)周期內(nèi)的放電時(shí)延及放電電流幅值，結(jié)果見圖9。

圖9 不同上升沿時(shí)間下局部放電散點(diǎn)圖Fig.9 Scatter plots of partial discharges at different rising edge time

如圖所示，放電電流相對(duì)幅值基本分布在0.8～1.0范圍內(nèi)，受上升沿時(shí)間影響較小。當(dāng)上升沿時(shí)間為230 ns時(shí)，上升沿處放電電流峰值出現(xiàn)的時(shí)間位置主要集中在放電時(shí)延為25～50 ns；當(dāng)上升沿時(shí)間為330 ns時(shí)，上升沿處放電電流峰值出現(xiàn)的時(shí)間位置主要集中在放電時(shí)延為100～130 ns；當(dāng)上升沿時(shí)間為400 ns時(shí)，上升沿處放電電流峰值出現(xiàn)的時(shí)間位置主要集中在放電時(shí)延為140～190 ns。因此，隨著上升沿時(shí)間增大，放電時(shí)延明顯增大，放電次數(shù)分布更分散。

以數(shù)百個(gè)周期內(nèi)的放電電流幅值的平均值和放電時(shí)延平均值為數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)8組不同上升沿時(shí)間下的上升沿放電幅值以及放電時(shí)延進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到局部放電統(tǒng)計(jì)特性與電壓幅值的關(guān)系曲線，即圖10。可見，隨著上升沿時(shí)間的增大，放電電流由0.44 A逐漸降低到0.09 A，平均放電時(shí)延由0.04 μs逐漸升高到0.34 μs。因此，隨著上升沿的增大，放電幅值逐漸減小且分布越來越緊密，放電時(shí)延逐漸增大且分布越來越分散。

圖10 不同上升沿下的放電幅值與放電時(shí)延Fig.10 Discharge amplitude and discharge delay under different rise time

3.4 上升沿時(shí)間對(duì)聚酰亞胺薄膜局放特性的影響

文中對(duì)比研究脈寬為500 ns和1 μs的局部放電特性，并分析不同脈寬下頻率對(duì)局部放電特性的影響。固定脈沖電壓幅值3 kV，上升沿和下降沿時(shí)間為136 ns，在不同電壓頻率(1 kHz,10 kHz,20 kHz,50 kHz,100 kHz)下，采集聚酰亞胺薄膜在500個(gè)周期內(nèi)的放電數(shù)據(jù)，共10組數(shù)據(jù)。選取500 ns及1 μs脈寬下局部放電量的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差作為數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并繪制曲線，如圖11所示。

圖11 不同脈寬下的放電幅值與放電時(shí)延Fig.11 Discharge amplitude and discharge delay under different pulse widths

脈沖頻率為20 kHz時(shí)，脈寬500 ns下的放電電流幅值約0.23 A，放電時(shí)延為84 ns，脈寬1 μs下的放電電流幅值約0.14 A，放電時(shí)延為89.5 ns；脈沖頻率為50 kHz時(shí)，脈寬500 ns下的放電電流幅值約0.17 A，放電時(shí)延為125 ns，脈寬1 μs下的放電電流幅值約0.08 A，放電時(shí)延為126 ns；當(dāng)脈沖頻率為100 kHz時(shí)，脈寬500 ns下的放電電流幅值約0.22 A，放電時(shí)延為146 ns，脈寬1 μs下的放電電流幅值約0.17 A，放電時(shí)延為160.9 ns。因此，在不同脈沖頻率下，脈寬500 ns下的放電時(shí)延比1 μs下的放電時(shí)延快約20 ns；當(dāng)脈沖頻率在10～100 kHz時(shí)，脈寬越大，局部放電幅值越小，局部放電時(shí)延越大。

4 局放特性影響因素分析

文中研究了電壓幅值、脈沖重復(fù)頻率、上升沿時(shí)間和占空比對(duì)聚酰亞胺薄膜局部放電特性的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)放電時(shí)延隨著脈沖頻率增加而增大，與文獻(xiàn)[6—7]相似。然而，研究發(fā)現(xiàn)局部放電信號(hào)幅值隨著脈沖頻率的增大而保持基本不變，與文獻(xiàn)[6—7]結(jié)果顯著不同。這可能與研究的頻率范圍和電極結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。文中將脈沖重復(fù)頻率拓展至100 kHz，遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[6—7]研究的頻率范圍。另外，文中采用了球板電極，而不是雙絞線結(jié)構(gòu)。這兩者都會(huì)導(dǎo)致空間電荷運(yùn)動(dòng)和熱量擴(kuò)散不同，使得局部放電信號(hào)幅值存在一些差異。

研究發(fā)現(xiàn)隨著上升沿增大，放電幅值逐漸減小且放電時(shí)延逐漸增大，與文獻(xiàn)[8]研究結(jié)果相似。此外，關(guān)于占空比對(duì)局部放電特性影響，研究發(fā)現(xiàn)：在脈沖重復(fù)頻率為10～100 kHz范圍內(nèi)，上升沿處局部放電信號(hào)幅值隨脈寬增大而減小，與文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果相似；然而，上升沿處局部放電時(shí)延隨著脈寬增大而增大，與文獻(xiàn)[11—12]在50 Hz下的研究結(jié)果相反。因此，下文從局部放電機(jī)理分析脈沖重復(fù)頻率、上升沿時(shí)間及脈寬的影響。

4.1 脈沖重復(fù)頻率對(duì)局放特性的影響

通常來講，脈沖頻率升高導(dǎo)致局部放電處的溫度升高，致使擊穿電壓更低，局部放電更容易發(fā)生。然而，由于文中脈寬短至500 ns，局部放電發(fā)生次數(shù)少，總體溫度并未大幅上升。采用紅外測(cè)溫儀發(fā)現(xiàn)脈沖重復(fù)頻率為100 kHz時(shí)局部放電位置處薄膜溫度稍微高于環(huán)境溫度。因此，頻率導(dǎo)致的溫升效應(yīng)不顯著。此外，當(dāng)脈沖重復(fù)頻率增大時(shí)，2次放電的時(shí)間間隔縮短，電荷復(fù)合過程時(shí)間減少，導(dǎo)致更多的空間電荷殘留下來[16—17]，容易阻礙電子崩的發(fā)展和初始電子的產(chǎn)生，使得表面可脫陷的電子減少，放電延遲時(shí)間增大。

4.2 上升沿時(shí)間對(duì)局放特性的影響

當(dāng)脈沖電壓上升沿時(shí)間減小時(shí)，意味著電壓變化速度較快，絕緣材料承受的電壓能夠迅速超過起始放電電壓，但是由于并未產(chǎn)生激發(fā)電子崩的初始電子，在等待初始電子產(chǎn)生的時(shí)間中過電壓增大。在過電壓作用下，空間電場(chǎng)增強(qiáng)，電子崩發(fā)展過程的延時(shí)會(huì)顯著縮短，導(dǎo)致放電時(shí)延減小和局部放電信號(hào)幅值增大，與文獻(xiàn)[9—10]結(jié)果類似。

4.3 脈寬對(duì)局放特性的影響

圖12為稍不均勻場(chǎng)下的電荷分布。當(dāng)脈寬增大時(shí)，會(huì)同時(shí)加速空間正負(fù)離子復(fù)合、薄膜表面電荷積累、電荷自身徑向極型擴(kuò)散這3個(gè)過程，而這3個(gè)過程互相之間是呈競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。其中，電荷擴(kuò)散速度為毫秒至秒量級(jí)，而空間正負(fù)離子的復(fù)合為微秒至毫秒量級(jí)。當(dāng)脈寬增大時(shí)，增加了電荷擴(kuò)散的可能性，相對(duì)而言電荷復(fù)合的影響會(huì)減弱，因此在下次放電時(shí)薄膜表面積累的正電荷數(shù)量會(huì)增多，削弱了空間電場(chǎng)，使得脈寬增大時(shí)放電幅值減小。同時(shí)，空間電場(chǎng)減小后，放電時(shí)延更大。

圖12 稍不均勻場(chǎng)下的電荷分布Fig.12 Charge distribution in a slightly uneven field

5 結(jié)語

為探索脈沖電應(yīng)力作用下高壓IGBT器件絕緣材料的局部放電特性，建立適用于高頻高壓脈沖作用下局部放電測(cè)量的平臺(tái)，文中研究了脈沖電壓幅值、上升沿、脈寬及頻率對(duì)聚酰亞胺薄膜局部放電特性的影響，獲得如下結(jié)論：(1)隨著電壓幅值增大，上升沿處局部放電信號(hào)幅值增大，放電時(shí)延減小，下降沿處放電時(shí)延基本不變；(2)隨著脈沖重復(fù)頻率增大，上升沿處放電時(shí)延增大，局部放電引起的放電電流幅值分布更加分散；(3)隨著上升沿時(shí)間增大，放電時(shí)延增大且更加分散，局部放電信號(hào)幅值減小且更加緊密；(4)相比于脈寬為1 μs的情況，脈寬為500 ns時(shí)局部放電信號(hào)幅值更大，放電時(shí)延更小。上述研究不僅可為高壓大功率IGBT器件的局部放電檢測(cè)和絕緣老化狀態(tài)評(píng)估提供重要科學(xué)依據(jù)，而且有利于指導(dǎo)更高頻、開斷速度更快的新型半導(dǎo)體開關(guān)器件的絕緣優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)新一代柔性直流輸電工程的換流閥絕緣設(shè)計(jì)與狀態(tài)檢測(cè)具有參考意義。

本文得到中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(NT2020007)，臺(tái)達(dá)電力電子科教發(fā)展計(jì)劃青年項(xiàng)目(DREG2017008)資助，謹(jǐn)此致謝！