SiC 전력 모듈의 부분 방전은 작동 온도보다는 스위칭 속도에 의해 더 많이 발생합니다. SiC 장치는 IGBT보다 훨씬 빠른 20~100kV/μs에서 전환하여 절연이 완화되기 전에 미세 공극과 연면 경로에 전압을 강제로 적용하여 부분 방전을 일으킵니다. IEC 60270(PDIV/PDEV)에 따른 절연 인증은 이제 선택 사항이 아닌 필수 사항입니다.
이것이 중요한 이유: 모듈은 50/60Hz AC 하이팟을 통과하고 현장에서 계속 깜박일 수 있습니다. 정현파 테스트는 본질적으로 dv/dt가 낮으므로 부분 방전을 시작하려면 높은 전압이 필요한 영역에서 절연을 강조합니다. SiC 스위칭은 훨씬 더 낮은 피크에서 방전을 트리거한 다음 수십억 번 계속 트리거하는 빠른 단극 반복 에지를 생성합니다. 하이팟만을 신뢰하는 지정자는 잘못된 실패 모드를 한정하는 것입니다. 해결 방법은 대표적인 dv/dt 파형 및 수요 여유 하에서 PDIV 및 PDEV를 측정하는 것입니다.
전력 모듈의 경우 단열재는 패시브 슬래브가 아닙니다. 이는 1200V 실리콘 카바이드 다이와 베이스 플레이트 단락 사이에 있는 장벽으로, 열뿐만 아니라 주류 전력 전자 장치의 가장 빠른 전압 에지에서도 견딜 수 있어야 합니다. 이 가이드는 부분 방전의 물리학부터 모듈 내부에서 시작되는 세 가지 위치를 통해 도면에 넣을 수 있는 실용적인 자격 체크리스트까지 문제를 해결합니다.
부분방전이 실제로 무엇인가요?
부분 방전(PD)은 IEC 60270에서 도체 사이의 절연체를 부분적으로만 연결하는 국부적인 전기 방전으로 정의됩니다. 절연체는 여전히 전반적으로 유지되지만(완전한 플래시오버는 없음) 한 작은 지점에서 국부 자기장이 약한 지점의 파괴 강도를 초과했으며 작고 반복되는 스파크가 틈의 일부를 뛰어 넘었습니다. 각 이벤트는 피코쿨롱의 전하만을 전송하고 나노초 동안 지속되지만 누적 효과는 부품을 파괴합니다.
PD는 적이기 때문에 위험하다 부분 적이고 진행 . 차단기를 작동시키거나 퓨즈를 끊지 않습니다. 조용히 침식됩니다. 모든 방전은 주위의 폴리머에 열, 자외선 및 화학적 반응종을 주입하여 분자 사슬을 공격하고 반전도성 탄소를 생성합니다. 일단 탄소 트랙이 형성되면 다음 방전은 더 쉬운 경로를 찾고, 전극이 완전히 파손될 때까지 프로세스가 가속화됩니다. NFPA 70B에서는 절연 파괴를 전기 고장의 가장 큰 원인으로 지정하고 부분 방전을 주요 조기 지표로 꼽습니다.
PD에는 세 가지 제품군이 있으며 모듈에는 이러한 제품군이 모두 포함되어 있습니다.
내부 방전 - 가스로 채워진 공극 또는 고체 유전체 내에 갇힌 기공 내부. 공극은 주변 물질보다 유전 강도가 낮으므로 필드가 먼저 여기에 집중됩니다.
표면 방전 - 일반적으로 오염, 습기 또는 부적절한 연면 경로로 인해 전극 사이에 전류가 흐를 수 있는 절연 표면을 따라 발생합니다.
코로나/가장자리 방전 - 도체, 절연체 및 공기가 만나는 날카로운 지점, 버 또는 삼중점에서 형상만으로 필드가 집중됩니다.
탄화규소가 IGBT보다 문제를 더 악화시키는 이유
짧은 대답은 속도입니다. 빠른 에지가 PD를 점화하는지 여부를 결정하는 단일 매개변수는 dv/dt(전압 상승률)이며 SiC는 대체하는 IGBT보다 훨씬 더 큰 크기로 작동합니다.
| 스트레스 매개변수 | IGBT 모듈(일반) | SiC 모듈(일반) | PD 위험을 높이는 이유 |
| dv/dt 전환 | 5~15kV/μs | 20~100kV/μs | 단열재가 이완되기 전에 보이드와 인터페이스에 걸쳐 빠른 가장자리 힘 필드 |
| 스위칭 주파수 | 2~20kHz | 20~100+kHz | 초당 더 많은 전환 → 단위 시간당 더 많은 PD 이벤트 |
| 파형 | 준정현파 PWM | 날카로운 단극 PWM | 단극 반복은 인터페이스에 공간 전하를 축적합니다. |
| 차단 밀도 | 보통의 | 더 작은 패키지에서 더 높은 | 더 단단한 형상 → 동일한 전압에 대해 더 높은 로컬 필드 |
| 접합 / 주변 온도 | 최대 ~150°C | 최대 ~175~200°C | PD 개시는 고온에서 더 쉽습니다. |
메커니즘은 정상 상태 유전 강도가 아닙니다. 20~100kV/μs 에지에 도달하면 보이드 또는 인터페이스의 전압이 재료의 분극화보다 빠르게 상승하므로 순간 필드가 국지적으로 오버슈트됩니다. 용량성 변위 전류와 빠른 전하 주입으로 인해 발생하는 일시적 전계 강화는 피크 버스 전압이 느린 사인파에서 측정된 임계값 아래에 있는 경우에도 보이드를 코로나로 밀어 넣을 수 있습니다. 독립적인 측정 결과는 이를 입증합니다. 60Hz 사인에서 PD는 약 7.6kV까지 나타나지 않는 경우가 많지만 동일한 샘플은 약 2.7kV RMS의 PWM 파형으로 구동할 때 연속 방전을 보여줍니다. 피크 전압이 내려 갔습니다 . dv/dt가 올라가서 방전 이 켜졌습니다.
SiC도 회계를 변경합니다. 서비스 중인 모듈은 1분의 하이팟이 아닌 수십억 개의 스위칭 주기를 확인합니다. 각 주기는 미세 방전에 대한 새로운 기회이며 손상은 누적됩니다. 기존의 통과/실패 임계값보다 훨씬 낮은 작은 이벤트가 고주파수로 반복되고, 폴리머가 천천히 마모되고 더 큰 방전이 불가피해질 때까지 국지적 필드의 모양이 변경됩니다. 규모뿐만 아니라 반복률도 노화의 원인입니다.
세 곳의 PD가 전력 모듈 내부에서 시작됩니다.
물리학을 알면 다음 질문은 건축적입니다. 물리적으로 방전은 어디에서 시작됩니까? 최신 모듈에는 세 개의 반복 위치가 있으며 각 위치는 서로 다른 디자인 수정 사항에 매핑됩니다.
1. 몰드 컴파운드 또는 실리콘 젤의 공극
캡슐화제는 다이를 보호하기 위해 존재하지만 포팅이나 젤 경화 중에 갇힌 기포는 미리 만들어진 공간입니다. 기포의 유전 강도는 주변의 에폭시나 젤의 일부이므로 전기장이 먼저 거기에 도달합니다. 이것이 진공 탈기, 제어된 젤 경화, 기포 없는 디스펜싱과 같은 빈 공간 없는 캡슐화가 미용이 아닌 이유입니다. PD 예방이다. '간극을 메우'라고 약속하는 실리콘 젤은 실제로 자체 거품이 없는 경우에만 도움이 됩니다.
2. 기판 및 인터페이스 층
직접 결합 구리(DBC) 또는 활성 금속 브레이징(AMB) 기판에서 세라믹(Al2O₃ 또는 AlN)은 본질적으로 공극이 없는 우수한 유전체이지만 베이스 플레이트에 대한 결합 및 인터페이스는 그렇지 않습니다. 박리, 본드 라인의 Kirkendall 보이드 또는 인접한 층 사이의 유전율 불일치로 인해 누출이 필요한 지점 전류에 정확하게 전계 집중이 발생합니다. 인터페이스 PD는 눈에 보이는 표면 아래에 있기 때문에 보기가 가장 어렵습니다.
3. 버스바 필름, PCB 및 단자 절연체 전반의 연면 표면
도체가 모듈에서 나와 절연 표면(적층 부스바, 게이트 드라이버 PCB, 성형 단자대)을 가로지르는 경우 표면은 특히 오염이나 습기가 도달하면 표면 방전을 위한 경쟁 트랙이 됩니다. 이는 연면거리와 공간거리, 추적 저항의 영역입니다.
50/60Hz Hipot이 이를 포착하지 못하는 이유
이는 가장 일반적인 자격 격차입니다. AC 유전체 내구(hipot) 테스트는 천천히 변하는 사인파를 적용합니다. 구조상 높은 테스트 전압에서도 dv/dt가 낮으므로 PD 개시가 가장 높은 영역에서 절연이 평가됩니다. 50/60Hz 하이팟에서 완전히 조용한 모듈은 전환되는 순간 PD를 계속 개발할 수 있습니다.
두 가지 효과가 맹점을 악화시킵니다. 첫째, 모듈, DC 링크 및 게이트 루프의 기생 인덕턴스와 커패시턴스는 모든 전환에서 오버슈트 및 링잉을 생성하여 잠시 동안 공칭 버스 위로 전압을 높이고 AC 인증이 적용되지 않은 스트레스에 절연체를 노출시킵니다. 둘째, PWM 파형은 단극이고 반복적이므로 전계 분포가 비대칭이고 공간 전하가 인터페이스(스위칭 시 AC 조명에서 비활성 상태로 유지되는 영역)에 쌓입니다. 결론은 무뚝뚝합니다. 깨끗한 하이팟이 필요하지만 충분하지는 않습니다. PD 검증에는 모듈이 실제로 보는 것과 유사한 파형이 필요합니다.
PD 측정 - IEC 60270 및 PDIV/PDEV 쌍
IEC 60270, '고전압 테스트 기술 - 부분 방전 측정'은 측정 백본입니다. 이는 피코쿨롱 단위로 교정된 테스트 대상과 병렬로 연결된 커플링 커패시터 및 측정 임피던스와 같은 장치와 중요한 매개변수를 정의합니다.
겉보기 전하(q) - 방전 이벤트의 보정된 PC입니다.
PDIV - 방전이 처음 나타나는 상승 램프의 전압.
PDEV - 정지하는 하향 램프의 더 낮은 전압입니다.
반복률(n) 및 위상 분해 패턴(PRPD) - 방전이 어디서, 어떤 종류가 발생하는지 나타냅니다.
PDIV/PDEV 쌍은 자격의 핵심입니다. PDEV는 항상 PDIV보다 낮으며, 위험한 경우는 PDEV가 정상 작동 전압 아래로 떨어지는 경우입니다. 그러면 과도 상태에서 시작된 방전이 소멸되지 않고 계속해서 정상 전압에서 실행되어 절연체를 침식합니다. PDEV가 최악의 작동 전압 이상으로 유지되는 마진은 실제 안전 목표이지 하나의 테스트 전압에서 단일 패스가 아닙니다.
알아야 할 표준 격차: IEC 60270은 최대 약 2000Hz의 AC에 맞게 조정되었습니다. 실제로 전원 모듈에 스트레스를 가하는 짧은 상승 시간, 반복 임펄스는
IEC 61934 ('짧은 상승 시간 및 반복 전압 임펄스 하에서 부분 방전의 전기적 측정')에 속합니다. 완전한 SiC 인증에서는 측정 프레임워크로 IEC 60270을 사용하고 스위칭과 같은 여기에는 IEC 61934를 사용합니다. 느린 사인파에서만 테스트하는 것은 잘못된 시스템을 테스트하는 것입니다.
SiC 의무에 대한 절연체 자격을 얻는 방법
모든 고전압 테스트가 PD 문제에 답하는 것은 아닙니다. 아래 표는 실제로 포착하는 방법을 기준으로 일반적인 방법을 정렬합니다.
| 시험방법 | 잡는 것 | 그리워하는 것 | 언제 사용하는가 |
| AC 유전체/하이팟 (IEC 60060, IEC 61800-5-1) |
총 결함, 벌크 유전체 파괴, 총 공극 | dv/dt 트리거 PD; 작은 반복 방전 | 기준 수용. 필요하지만 충분하지 않습니다. |
| 충격/서지 내성 (반복 펄스, IEC 60060-1) |
피크 내성, 턴-투-턴 및 레이어 마진 | 정밀한 PD 디테일; 반복률 노화 | 오버슈트/링잉에 대한 피크 전압 마진. |
| IEC 60270 PD 측정 (AC 또는 PWM 여기) |
PDIV, PDEV, 겉보기 전하, PRPD 진단 | 의미 있는 대표 파형이 필요합니다. | 핵심 PD 자격. AC뿐만 아니라 PWM도 요구합니다. |
| 충격이 있는 IEC 61934 PD (반복적인 짧은 상승 시간) |
스위칭 같은 스트레스를 받는 PD; 반복 효과 | 산업 전반에 걸쳐 덜 표준화된 수용 한계 | SiC/빠른 스위칭 임무에 대한 설계 자격. |
허용 한계의 경우 견인 및 변환기 실습에서는 구체적인 기준을 제시합니다. IEC 61287-1(및 EN 61287-1)에서는 일반적으로 사용되는 한도인 구성 요소의 경우 10pC , 시스템의 경우 50pC를 인용합니다 . 이는 절대값이 아닌 시작점입니다. 고도 또는 고온에서 높은 dv/dt를 실행하는 애플리케이션은 이를 제한해야 하지만 지정자에게 기록할 숫자를 제공합니다.
PD 저항성 선택 단열재
테스트 체제가 올바르면 재료 선택에 따라 마진이 결정됩니다. 이 표는 PD 스트레스 하에서의 동작을 기준으로 모듈 설계자가 실제로 가지고 있는 재료의 순위를 매깁니다.
| 재료 | PD 저항 | CTI(IEC 60112) | 임시 수업 | 일반적인 모듈 역할 |
| 운모/운모 테이프 | 우수(무기물, 내궤도성) | 매우 높다 | 최대 클래스 H(180°C)+ | 단열재, 방화 장벽을 켜십시오. |
| 노멕스 / 아라미드 종이 | 매우 좋은 | 높은 | 클래스 H(180°C) | 위상/슬롯 절연, 장벽 |
| 폴리이미드 필름 | 좋고, 얇고, 고온 | 보통 – 높음 | 클래스 H(180°C)+ | 게이트 드라이버, 제어 절연 |
| 에폭시 유리 라미네이트 (FR-4 / G-10 / G-11) | 공극 없이 경화되면 좋음 | 보통 (CTI ~175–225) | 클래스 B~F(130~155°C) | 부스바 절연, 단자 지지대 |
| 실리콘 젤 / RTV | 공백을 채웁니다. 거품이 많으면 위험하다 | 높음(자가 치유 표면) | 클래스 H(180°C) | 다이 캡슐화 |
| 세라믹 기판(Al2O₃ / AlN) | 우수(무공극 유전체) | 해당 없음(무기) | 매우 높다 | DBC/AMB 기본 유전체 |
표에는 가장 중요한 규칙이 숨겨져 있습니다. PD 저항은 재료 특성이 아니라 시스템 특성입니다. 날카로운 유전율 단계와 갇힌 공기 라인을 사용하여 낮은 CTI 필름에 대해 높은 CTI 라미네이트를 배치해도 여전히 방전됩니다. 공극 없는 함침(이상적으로는 진공 압력 함침(VPI))과 재료 전환의 깔끔한 관리는 한 등급을 다른 등급으로 교체하는 것보다 PD 마진에 더 많은 영향을 미칩니다. IEC 60112에 따라 측정된 CTI는 PD가 시작된 표면이 얼마나 오래 지속되는지 결정합니다 후 . 내궤도 등급은 표면 방전이 영구적인 전도성 경로가 되기 전에 시간을 벌어줍니다.
테스트 전에 PD를 억제하는 설계 규칙
대부분의 PD는 테스트되기 전에 설계됩니다. 저렴한 수정 사항은 기하학적이고 프로세스 수준입니다.
실제 오염도 및 과전압 범주에 대해 IEC 60664-1에 따른 연면거리 및 공간거리 크기를 지정한 다음 공칭 버스가 아닌 SiC 과도 현상에 대해 감소합니다.
모든 모서리를 둥글게 만듭니다 . 도체 출구와 경사 링의 도체, 절연체, 공기가 만나는 삼중점을 제거합니다.
공극을 제어합니다 . 이는 활용도가 가장 높은 단일 공정 단계입니다. VPI, 진공 캡슐화, 기포 없는 젤을 통해
유전율 전환을 관리합니다 . 매우 다른 εᵣ의 재료에 인접한 대신 응력 균등화 레이어를 사용하여
열 예산 : PD 개시는 온도에 따라 떨어지기 때문에 필드가 가장 높은 등급 제한보다 절연체를 더 낮게 유지하십시오.
실용적인 자격 체크리스트
SiC 전력 모듈에 대한 절연 요구 사항을 작성하는 지정자의 경우 자격은 다음과 같아야 합니다.
모듈이 서비스 중에 표시되는 작동 전압 과 최대 dv/dt를 명시하십시오.
최악의 스위칭 과도 상태보다 높은 PDIV가 필요합니다. 일반적으로 IEC 61934에 따른 대표적인 PWM 또는 반복 임펄스 파형에서 측정되는 피크 오버슈트의 1.2배 ~ 1.5배입니다.
정상 작동 전압보다 높은 PDEV가 필요하므로 과도 상태가 끝나면 방전이 자동으로 꺼집니다.
겉보기 충전 한계(시작점: IEC 61287-1에 따른 10pC 구성 요소/50pC 시스템)를 설정하고 고도 또는 고온 작업에 맞게 이를 강화합니다.
합격/불합격 번호뿐만 아니라 위상 분해 PD 패턴을 기록하여 방전 위치와 유형을 문서화합니다.
재료, 몰드 컴파운드, 접착 공정 또는 라미네이트 등급에 대한 변경 사항에 대해 재인증을 받으십시오. PD는 이러한 변수에 정확하게 민감합니다.
자주 묻는 질문
PDIV란 무엇이며 SiC 모듈에 왜 중요한가요?
PDIV는 부분 방전 개시 전압, 즉 방전 활동이 처음 나타나는 인가 전압입니다. 이는 SiC 모듈이 서비스 중에 충족하는 실제 유전체 임계값이며 해당 임계값은 Hipot에 사용되는 느린 50/60Hz 사인파보다 빠르고 반복적인 스위칭 dv/dt에서 훨씬 낮습니다. 모듈은 정현파 하이팟을 통과하면서도 자체 스위칭 과도 전류보다 낮은 PWM-PDIV를 가질 수 있습니다.
PDIV와 PDEV의 차이점은 무엇입니까?
PDIV는 방전이 시작되는 상승 램프의 전압입니다. PDEV(소멸 전압)는 하향 램프가 멈추는 지점에서 더 낮은 전압입니다. PDEV는 항상 PDIV보다 낮습니다. 위험한 경우는 PDEV가 정상 작동 전압 아래로 떨어지는 경우입니다. 그러면 과도 기간 동안 시작된 방전이 정상 전압에서 계속 실행되고 자기 소화 대신 지속적으로 절연체를 부식시킵니다.
내전압 테스트를 통과하면 SiC 모듈에 부분 방전이 없음을 증명할 수 있습니까?
아니요. 50/60Hz 유전체 내력 테스트는 dv/dt가 본질적으로 낮은 천천히 변하는 사인파를 적용하므로 PD 개시가 높은 영역에서 절연에 스트레스를 줍니다. SiC 스위칭은 훨씬 낮은 피크 전압에서 PD를 트리거하는 20~100kV/μs 에지와 단극, 반복적 PWM을 생성합니다. Hipot에서 조용한 모듈은 현장에서 깜박일 수 있습니다. Hipot은 PD 자격이 아닌 필수 기준입니다.
탄화규소가 IGBT보다 부분방전에 더 나쁜 이유는 무엇입니까?
속도. IGBT 모듈은 일반적으로 5~15kV/μs에서 전환됩니다. SiC 모듈은 일반적으로 20~100kV/μs에서 전환됩니다. 더 빠른 에지는 절연이 완화되기 전에 보이드, 재료 인터페이스 및 날카로운 에지에 전기장을 강제로 적용하여 피크 전압이 정현파 개시 레벨보다 낮을 때에도 PD를 점화시킵니다. 더 작은 패키지에 수십억 개의 반복적인 스위칭 사이클과 더 높은 차단 전압 밀도를 추가하면 SiC 절연에 대한 누적 PD 부담이 훨씬 더 커집니다.
빠른 스위칭 시 부분 방전에 적용되는 IEC 표준은 무엇입니까?
IEC 60270은 부분 방전 측정(피코쿨롬의 겉보기 전하, PDIV, PDEV 및 위상 분해 패턴)을 위한 기준이지만 최대 약 2000Hz의 AC에 맞게 조정되었습니다. 전력 모듈에 실제로 스트레스를 가하는 짧은 상승 시간, 반복 임펄스의 경우 IEC 61934(짧은 상승 시간 및 반복 전압 임펄스에서 PD의 전기적 측정)가 관련 방법입니다. 완전한 검증에서는 측정 프레임워크용 IEC 60270과 스위칭형 자극용 IEC 61934를 모두 사용합니다.
CTI란 무엇이며 추적 저항에 중요한 이유는 무엇입니까?
비교 추적 지수(IEC 60112에 따라 측정)인 CTI는 오염된 물방울 아래의 재료 표면에 전도성 탄소 트랙이 형성되는 전압입니다. CTI가 높다는 것은 PD가 공격을 시작하면 표면이 추적에 저항한다는 것을 의미합니다. 전원 모듈 내부 연면 경로에 있는 절연의 경우 높은 CTI 등급(예: 내궤적 방지 라미네이트, 운모 또는 아라미드)을 사용하면 표면 방전이 영구 전도성 경로로 전환되기 전에 시간을 벌 수 있습니다.
결론
탄화규소 모듈 주위에 단열재를 지정하는 사람을 위한 교훈은 간단합니다. 열만 검증하는 것을 멈추고 속도 검증을 시작하는 것입니다. SiC 모듈을 종료시키는 오류는 적어도 온도에 의해 시작되는 부분 방전과 마찬가지로 20~100kV/μs 에지에 의해 시작되는 부분 방전일 가능성이 높으며 50/60Hz 하이팟에서는 이를 인식하지 못합니다. 대표적인 dv/dt 파형에서 PDIV 및 PDEV를 측정하고 PDEV를 작동 전압 이상으로 유지하며 보이드 없는 구조를 전체 마진의 기초로 처리합니다.
