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。由于功率高，動作電壓就會提高，因此1,000V 上下的工作電壓并不少見。各個IGBT 因時序分離，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。 此變壓器在動作時，于一二次側之間會有一PWM切換之高頻高壓(如圖一) 。一般變壓器常因使用者與生產者對線材本身的崩潰電壓與線間局部放電的起始電壓之差別沒有足夠認識，造成未能進行正確的絕緣能力要求、正確的絕緣設計及生產檢測，導致IGBT毀損或因高壓放電突波在數字端產生各式異常動作。

▲圖一. 馬達驅動控制電路圖

若此變壓器一二次側間壓差為1,000V_peak方波， 一般非安規的質量要求可能設計>2,000V耐壓程度，那使用崩潰電壓>3,000V的線材分別繞在兩側線，即使相鄰也能耐個6,000V吧? 答案是他可能可以耐6,000V一分鐘，但也許在實際工作(1,000V 方波)一段時間后就故障。其原因為一般絕緣皮介電系數都遠高于空氣，導致交流狀態下在空氣部分之分壓比例較高。在線間空氣分壓達>350V_peak (1atm 氣體短距放電開始電位)狀態，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作。

▲圖二. 變壓器線圈因持續性電暈放電導致一二次側間線圈短路

圖三為一高功率電源IGBT控制變壓器造成的故障實例。由此能看見異常變壓器在使用時因電暈放電而發光，但于一般零件測試中未被判異常且也未被發現于電源成品生產測試里。卻在實際使用環境經常造成IGBT 模塊故障或系統的數字異常誤動作等不易直接聯想的質量議題，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例

一般變壓器業者只依據規格進行普通耐壓測試，而未針對局部放電(PD)或電氣閃絡(Flashover)作檢測而導致此類議題廣泛發生于各式電源使用之電氣電子產品。要避免此類議題的發生，一定得確保在工作條件下無持續性局部放電(PD)。一般相關法規(例IEC60747-5-5)精神上會建議以最高使用可能電位之1.875倍，在生產檢測(數秒程度)無PD(例PD <15pC) 來確保長久產品質量。以1,000V_peak 應用例， 約1.325kVrms @ 60Hz (1.875kV_peak)，PD <15pC 可能是一個合適的檢測。(p.s.上例發生問題之變壓器實測局部放電起始電壓PDIV僅約在400Vac，遠低于應有品質能力)。

Chroma 19501系列產品提供AC耐壓測試(10kVac)及局部放電檢測(1pC~2,000pC)功能，是?壓產品局部放電(Partial Discharge , PD)異常檢出的最佳?案，為您把關長期工作之質量與可靠性。

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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