【導(dǎo)讀】功率半導(dǎo)體在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中會(huì)碰到各種問(wèn)題，有些問(wèn)題需要設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累總結(jié)，有些經(jīng)典問(wèn)題已經(jīng)寫(xiě)入了教科書(shū)，有些問(wèn)題還是學(xué)術(shù)研究范疇，歡迎讀者將工作和學(xué)習(xí)中的體會(huì)寫(xiě)出來(lái)分享。
局部放電現(xiàn)象和危害
局部放電是僅發(fā)生在絕緣體中的一部分區(qū)域的放電。這些放電也可能發(fā)生在電極上，但也可能是“無(wú)電極”發(fā)生在電場(chǎng)空間。局部放電會(huì)發(fā)生在：氣體，液體和固體中。在發(fā)生局部放電時(shí)，不但會(huì)產(chǎn)生損耗，其產(chǎn)生的高能電子和UV輻射會(huì)對(duì)周圍的絕緣材料造成損壞。
不同的絕緣介質(zhì)，局部放電會(huì)產(chǎn)生老化損害是不一樣的：
■ 沒(méi)有損害：流動(dòng)的空氣，天然物質(zhì)例如玻璃云母；
■ 輕微損害：密閉氣體絕緣例如SF6，空氣；
■ 中度損害：油紙絕緣（變壓器，DF）鑄造樹(shù)脂；
■ 嚴(yán)重?fù)p害：PE，VPE，幾乎所有塑料。
在局部放電對(duì)絕緣體造成輕微至嚴(yán)重?fù)p害的情況下，對(duì)它的測(cè)量變得尤為重要。
局部放電機(jī)理
■ 局部場(chǎng)強(qiáng)增加到絕緣介質(zhì)的電氣強(qiáng)度以上；
■局部較低的電氣強(qiáng)度（例如，澆鑄樹(shù)脂中的空隙）。
電暈放電
電暈放電是由氣體和液體中局部過(guò)強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度引起的放電。它們主要發(fā)生在尖端，邊緣和細(xì)導(dǎo)體上。由于它們通常出現(xiàn)在外輪廓上，因此由于其典型的輝光和裂紋而易于檢測(cè)。
沿面放電
它產(chǎn)生的起因是電極上發(fā)生電暈放電。
分層材料中的放電
它是沿面放電的另一種形式。在各個(gè)材料邊界層會(huì)產(chǎn)生局部過(guò)高的電壓，從而導(dǎo)致局部放電。
氣隙放電
氣隙放電是由絕緣材料中的氣泡或具有不同介電常數(shù)的污染物質(zhì)所引起。
樹(shù)狀通道
固體或液體絕緣材料持續(xù)局部放電會(huì)形成樹(shù)狀導(dǎo)電通道對(duì)絕緣體造成永久性損害。
氣隙放電
其中氣隙放電是由絕緣材料中的故障引起的，例如由變壓器油里的氣泡或具有不同介電常數(shù)的污染物質(zhì)。整個(gè)待測(cè)絕緣體的電容由氣泡空腔電容C1與剩余絕緣距離C2的電容串聯(lián)并且和無(wú)故障絕緣體C3的電容并聯(lián)構(gòu)成。其中由于面積不同，C3遠(yuǎn)大于C1，由于介電常數(shù)不同，C1遠(yuǎn)大于C2。在發(fā)生局部放電時(shí)空腔內(nèi)的電壓降ΔU1是千伏等級(jí)，由于C2很小，在絕緣體兩端的電壓降ΔUt只有毫伏等級(jí)，所以很難測(cè)量。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中我們使用耦合電容的方式來(lái)精確測(cè)量。
局部放電測(cè)量可以在不損壞樣品的情況下測(cè)量絕緣質(zhì)量。
如下圖所示，考慮正弦的端電壓U。一旦電壓U1超過(guò)氣泡空腔內(nèi)的電場(chǎng)放電所需電壓閾值Uz時(shí)，C1通過(guò)電火花放電降到Ul電壓。C2的位移電流可能還會(huì)把C1重新充電，因此在電壓的半個(gè)周期內(nèi)根據(jù)電壓的高低不同可能會(huì)產(chǎn)生多次局部放電。
測(cè)試方法
理想情況下我們假設(shè)耦合的電容遠(yuǎn)大于被測(cè)絕緣體的電容，被測(cè)絕緣體發(fā)生局部放電時(shí)在其兩端的端子發(fā)生相對(duì)于電源非常小的電壓降，其立刻會(huì)被耦合電容補(bǔ)償。因此在耦合電容和待測(cè)絕緣體電容之間會(huì)流經(jīng)高頻電流，通過(guò)對(duì)流經(jīng)耦合電容的電流進(jìn)行積分，得到流入絕緣體的電荷量：視在放電量。通過(guò)C1，C2折算得到絕緣體內(nèi)通過(guò)局放消耗掉的電量q1，可以注意到C2比C1小，因此視在放電量對(duì)比q1很小。
對(duì)于Ck＞＞Ct有：
當(dāng)C1＞＞C2有：
局部放電測(cè)量的接線圖如下圖所示，測(cè)試電流為工頻交流電。Ct（Cp）為待測(cè)物體等效的電容，Cp為耦合電容。
在實(shí)際應(yīng)用測(cè)試時(shí)，耦合電容不會(huì)無(wú)窮大，通常它約等于測(cè)試絕緣體的電容，它只會(huì)補(bǔ)償一部分發(fā)生在被測(cè)端的電壓降。在這種情況下測(cè)量到的電荷會(huì)比視在電荷量小，因此我們必須在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，確定測(cè)量的電荷qm和視在電荷qs的比值。
電流積分
為了將解耦的電流脈沖轉(zhuǎn)換為電荷值，需要對(duì)其進(jìn)行積分。這可以通過(guò)兩種不同的方式完成：時(shí)域積分和頻域積分
頻域積分
一般要對(duì)電流進(jìn)行積分我們可以使用一個(gè)RC低通濾波器，然而它不能避開(kāi)50Hz交流電流帶來(lái)的干擾，所以我們會(huì)用一個(gè)帶通濾波器對(duì)電流頻譜密度相對(duì)平坦的區(qū)域進(jìn)行積分。寬帶局放測(cè)量設(shè)備通常在10至100kHz的頻帶內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。一些窄帶寬濾波器用于頻域中的積分。有些局放測(cè)量設(shè)備可以調(diào)節(jié)為窄帶寬很小的帶通濾波器（IEC60270標(biāo)準(zhǔn)中推薦中心頻率50kHz≤fm≤1MHz，帶寬9kHz≤Δf≤1MHz），以便可以將檢測(cè)范圍設(shè)置為任何頻率范圍，來(lái)避開(kāi)特定干擾頻率。
局放電流脈沖在時(shí)域和頻域
但窄帶寬測(cè)量的缺點(diǎn)是脈沖消隱時(shí)間長(zhǎng)。如果兩個(gè)局放脈沖緊緊跟隨在一起，則只有在記錄前一個(gè)脈沖振蕩完之后，才能正確第二個(gè)脈沖。如果在帶通仍在振蕩時(shí)第二個(gè)脈沖到達(dá)，則兩個(gè)不同相位脈沖響應(yīng)將疊加在輸出上，這可能導(dǎo)致隨后的峰值產(chǎn)生測(cè)量誤差。由于帶通濾波器的衰減時(shí)間與帶寬大致成反比，因此在窄帶測(cè)量會(huì)在電流信號(hào)上升很快的情況下產(chǎn)生誤差。這種窄帶寬測(cè)量的另一大確定是無(wú)法分別局放脈沖的正負(fù)極。如下圖：
左圖，右圖分別是窄帶寬測(cè)量和寬帶寬測(cè)量的脈沖響應(yīng)
時(shí)域積分
過(guò)對(duì)時(shí)域內(nèi)的電流脈沖進(jìn)行積分相當(dāng)于使用寬帶寬測(cè)量。根據(jù)IEC 60270：2001，使用100-400kHz之間的帶寬進(jìn)行測(cè)量。現(xiàn)代的局放測(cè)量設(shè)備可在高達(dá)MHz的帶寬范圍內(nèi)工作。但是如果測(cè)試環(huán)境不進(jìn)行電磁屏蔽，可能會(huì)有無(wú)線電干擾耦合到測(cè)量信號(hào)中造成誤差。寬帶測(cè)量可以從局放脈沖中獲取有關(guān)絕緣材料各個(gè)部位老化更詳細(xì)的信息。與窄帶測(cè)量設(shè)備相比，在時(shí)域積分的局放電荷測(cè)量設(shè)備對(duì)頻譜沒(méi)有任何特殊要求。由于帶寬大，這些設(shè)備有非常好的脈沖分辨率。
耦合方式
參照IEC 60270通過(guò)耦合電容測(cè)試局部放電的方法可以有直接測(cè)量法，間接測(cè)量法和差分測(cè)量法，分別對(duì)應(yīng)下圖：
間接測(cè)量法和差分測(cè)量法
可以發(fā)現(xiàn)間接測(cè)量時(shí)耦合裝置和耦合電容串聯(lián)，在樣品損壞時(shí)耦合裝置不會(huì)被破壞，然而它的靈敏度相較于直接測(cè)量（耦合裝置和待測(cè)絕緣體串聯(lián)）較低。但當(dāng)測(cè)試樣品擊穿時(shí)，使用直接測(cè)量更可能會(huì)損壞耦合裝置。
實(shí)際測(cè)量
我們的實(shí)驗(yàn)中采用間接測(cè)量方式，采用頻域積分。在測(cè)量前對(duì)不同中心頻率和帶寬進(jìn)行調(diào)試使得基本噪聲水平維持較低水平。每次更換待測(cè)樣品需要重新校準(zhǔn)測(cè)量的電荷qm和視在電荷qs的比值。待測(cè)樣品被污染的絕緣油的平板電容器，其主要表現(xiàn)為由于雜質(zhì)或氣泡引起的氣隙局部放電。
有缺陷的平板電容器局放
基本噪聲水平：QIEC=4.3pC
局放起始時(shí)電壓有效值：UTEE=8.8kV
下圖中綠線為測(cè)試電壓波形。當(dāng)電壓有效值達(dá)到8.8kV時(shí)，待測(cè)樣品在電壓負(fù)半周開(kāi)始出現(xiàn)局部放電。當(dāng)電壓有效值達(dá)到10kV時(shí)，待測(cè)樣品在電壓負(fù)半周出現(xiàn)局部放電的次數(shù)增多。
局放在10kV
IGBT模塊的局放
IGBT模塊的結(jié)構(gòu)如圖所示，是絕緣型器件，電壓等級(jí)從600V到6500V不等，3300V以上的電壓等級(jí)，需要考核局部放電。
在IGBT模塊結(jié)構(gòu)中，芯片焊在覆銅的陶瓷襯底DCB上，陶瓷襯底DCB焊在基板上。在模塊腔體內(nèi)有硅膠填充。
由此可見(jiàn)，IGBT模塊中有三個(gè)介電系統(tǒng)：
1.絕緣用陶瓷襯底，常見(jiàn)的為Al2O3和AIN
2.填充用硅膠，其作用是防止模塊內(nèi)部局部放電和擊穿
3.陶瓷襯底和硅膠的界面
在模塊中，局部放電現(xiàn)象主要出現(xiàn)在絕緣材料中的氣泡或具有不同介電常數(shù)的污染物質(zhì)，高壓模塊需要采用局部放電測(cè)量來(lái)衡量可靠性和壽命。
模塊中尖——板結(jié)構(gòu)
在IGBT模塊中，由于DCB的覆銅層的邊緣處場(chǎng)強(qiáng)較高，其內(nèi)部的局部放電處于陶瓷基板和銅基板的交接邊緣處。在模塊中會(huì)填充硅膠作為絕緣介質(zhì)，其介電強(qiáng)度高達(dá)15X106V/mm，可以降低局放的影響，而且它使得模塊在沒(méi)有局放時(shí)具有一定的自愈能力，但無(wú)法恢復(fù)由于持續(xù)局放產(chǎn)生的永久損害。
通常可以通過(guò)改善DCB的銅層邊緣來(lái)控制場(chǎng)強(qiáng)或優(yōu)化絕緣介質(zhì)，抬高局放起始電壓最終達(dá)到降低局部放電進(jìn)而提高模塊可靠性和壽命的目的。
模塊中氣隙放電
DCB板中的絕緣材料Al2O3和AIN都會(huì)存在氣泡或具有不同介電常數(shù)的污染物質(zhì)，其是造成局放的原因。
局放是高壓功率模塊的重要指標(biāo)，會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)上標(biāo)明，指標(biāo)是這樣給出的：
英飛凌FZ600R65KE3,600A 6500V IGBT局部放電停止電壓，VISOL=5.1kV RMS，50Hz此時(shí)QPD典型值為10pC。意思是當(dāng)檢測(cè)到通過(guò)局放的電荷量小于10pC時(shí)可以認(rèn)為局部放電停止，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)低于10pC的局部放電不會(huì)對(duì)絕緣系統(tǒng)造成有害影響，此時(shí)的電壓有效值為5.1kV。局放停止電壓必須高于工作電壓，這確保了器件達(dá)到工作電壓時(shí)由于電壓尖峰引起的局放可以再次熄滅。
參考文獻(xiàn)
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[4] 王昭,劉曜寧，高壓IGBT模塊局部放電研究現(xiàn)狀，電子元件與材料10.2017
來(lái)源：英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體，作者：陳嘉騰 德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院 碩士生
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