Lượt xem: 0 Tác giả: Fenhar Thời gian xuất bản: 2026-09-30 Nguồn gốc: Địa điểm
Sự phóng điện cục bộ trong mô-đun nguồn SiC được điều khiển ít hơn bởi nhiệt độ vận hành và nhiều hơn bởi tốc độ chuyển mạch. Các thiết bị SiC chuyển đổi ở tốc độ 20–100 kV/µs—nhanh hơn nhiều so với IGBT—ép điện áp xuyên qua các khoảng trống vi mô và đường rò trước khi lớp cách điện có thể giãn ra, từ đó gây ra hiện tượng phóng điện một phần. Hiện nay, việc đạt tiêu chuẩn cách điện theo tiêu chuẩn IEC 60270 (PDIV/PDEV) là bắt buộc, không phải là tùy chọn.
Đối với mô-đun nguồn, vật liệu cách nhiệt không phải là tấm thụ động. Đó là rào cản nằm giữa khuôn silicon-cacbua 1200 V và đoạn ngắn của tấm đế, đồng thời nó được yêu cầu không chỉ chịu được nhiệt mà còn chịu được các cạnh điện áp nhanh nhất trong các thiết bị điện tử công suất phổ thông. Hướng dẫn này giải quyết vấn đề từ tính chất vật lý của phóng điện cục bộ, thông qua ba vị trí bắt đầu bên trong mô-đun, đến danh sách kiểm tra chất lượng thực tế mà bạn có thể đưa vào bản vẽ.
Phóng điện cục bộ (PD) được định nghĩa trong IEC 60270 là hiện tượng phóng điện cục bộ chỉ bắc cầu một phần cách điện giữa các dây dẫn. Về tổng thể, lớp cách điện vẫn giữ nguyên—không có hiện tượng phóng điện hoàn toàn—nhưng tại một thời điểm nhỏ, trường cục bộ đã vượt quá cường độ đánh thủng của một điểm yếu và một tia lửa nhỏ lặp đi lặp lại sẽ nhảy vào một phần khe hở. Mỗi sự kiện chỉ truyền điện tích picoculông và kéo dài hàng nano giây, tuy nhiên hiệu ứng tích lũy là thứ phá hủy bộ phận đó.
PD nguy hiểm chính xác vì nó mang tính cục bộ và tiến bộ . Nó không ngắt cầu dao hoặc nổ cầu chì; nó âm thầm ăn mòn. Mỗi lần phóng điện đều truyền nhiệt, tia cực tím và các chất phản ứng hóa học vào polyme xung quanh nó, tấn công các chuỗi phân tử và tạo ra carbon bán dẫn. Khi rãnh carbon đó hình thành, lần phóng điện tiếp theo sẽ tìm thấy đường dẫn dễ dàng hơn và quá trình này sẽ tăng tốc cho đến khi sự cố hoàn toàn xảy ra ở các điện cực. NFPA 70B coi sự cố cách điện là nguyên nhân số một gây ra sự cố về điện và phóng điện một phần là dấu hiệu sớm hàng đầu.
Có ba họ PD và một mô-đun chứa tất cả chúng:
Phóng điện bên trong - bên trong khoảng trống chứa đầy khí hoặc lỗ rỗng bị mắc kẹt trong chất điện môi rắn. Khoảng trống có độ bền điện môi thấp hơn vật liệu xung quanh nên trường tập trung ở đó trước tiên.
Phóng điện bề mặt - dọc theo bề mặt cách điện, thường là nơi bị nhiễm bẩn, ẩm ướt hoặc đường rò không thích hợp cho phép dòng điện bò giữa các điện cực.
Phóng điện vành nhật hoa / cạnh — tại các điểm sắc nét, gờ hoặc điểm ba nơi dây dẫn, lớp cách điện và không khí gặp nhau, nơi chỉ riêng hình học đã tập trung trường.
Câu trả lời ngắn gọn là tốc độ. Tham số duy nhất quyết định xem cạnh nhanh có kích hoạt PD hay không là dv/dt—tốc độ tăng điện áp—và SiC vận hành ở mức độ lớn hơn IGBT mà nó thay thế.
| Thông số ứng suất | Mô-đun IGBT (điển hình) | Mô-đun SiC (điển hình) | Tại sao nó làm tăng nguy cơ PD |
| Chuyển đổi dv/dt | 5–15 kV/µs | 20–100 kV/µs | Trường lực cạnh nhanh xuyên qua các khoảng trống và các bề mặt trước khi lớp cách nhiệt giãn ra |
| Tần số chuyển đổi | 2–20 kHz | 20–100+ kHz | Nhiều chuyển tiếp hơn mỗi giây → nhiều sự kiện PD hơn trên mỗi đơn vị thời gian |
| Dạng sóng | hình sin gần như hình sin | xung đơn cực sắc nét | Sự lặp lại đơn cực tích lũy điện tích không gian tại các bề mặt |
| Mật độ chặn | vừa phải | cao hơn trong gói nhỏ hơn | Hình học chặt chẽ hơn → trường cục bộ cao hơn cho cùng một điện áp |
| Điểm nối / nhiệt độ môi trường | lên tới ~150°C | lên tới ~175–200 °C | Sự khởi đầu của PD dễ dàng hơn ở nhiệt độ cao |
Cơ chế này không phải là độ bền điện môi ở trạng thái ổn định. Khi đạt tới biên 20–100 kV/µs, điện áp trên khoảng trống hoặc giao diện tăng nhanh hơn mức độ phân cực của vật liệu có thể xảy ra, do đó trường tức thời vượt quá cục bộ. Sự tăng cường trường nhất thời đó—được kết hợp bởi dòng điện dịch chuyển điện dung và việc bơm điện tích nhanh—có thể đẩy một khoảng trống vào quầng hào quang ngay cả khi điện áp bus cực đại nằm dưới ngưỡng được đo dưới dạng sóng hình sin chậm. Các phép đo độc lập chứng minh điều này: dưới mức hình sin 60 Hz, PD thường không xuất hiện cho đến khoảng 7,6 kV, tuy nhiên mẫu tương tự lại cho thấy sự phóng điện liên tục khi được điều khiển bởi dạng sóng PWM ở khoảng 2,7 kV RMS. Điện áp cực đại giảm ; dv/dt tăng lên và đó là nguyên nhân gây ra hiện tượng phóng điện.
SiC cũng thay đổi cách hạch toán. Một mô-đun đang hoạt động chứng kiến hàng tỷ chu kỳ chuyển đổi chứ không phải một phút hipot. Mỗi chu kỳ là một cơ hội mới cho sự phóng điện vi mô và thiệt hại sẽ được tích lũy: các sự kiện nhỏ nằm dưới ngưỡng đạt/không đạt truyền thống, lặp lại ở tần số cao, làm mòn polyme từ từ và định hình lại trường cục bộ cho đến khi sự phóng điện lớn hơn trở thành điều không thể tránh khỏi. Tỷ lệ lặp lại, không chỉ mức độ, là nguyên nhân dẫn đến sự lão hóa.
Biết về vật lý, câu hỏi tiếp theo là về kiến trúc: sự phóng điện bắt đầu từ đâu, về mặt vật lý? Trong một mô-đun hiện đại, có ba vị trí định kỳ và mỗi vị trí ánh xạ tới một bản sửa lỗi thiết kế khác nhau.
Chất đóng gói tồn tại để bảo vệ khuôn, nhưng bất kỳ bong bóng khí nào bị mắc kẹt trong quá trình đóng bầu hoặc đóng rắn bằng gel đều là khoảng trống được tạo sẵn. Độ bền điện môi của bong bóng là một phần epoxy hoặc gel xung quanh nó, do đó trường tiếp đất ở đó trước tiên. Đây là lý do tại sao việc đóng gói không có khoảng trống—khử khí chân không, xử lý gel có kiểm soát, phân phối không có bong bóng—không phải là mỹ phẩm; đó là phòng ngừa bệnh PD. Một loại gel silicon hứa hẹn sẽ 'lấp đầy những khoảng trống' chỉ có tác dụng nếu nó thực sự không chứa bong bóng.
Trong chất nền bằng đồng liên kết trực tiếp (DBC) hoặc kim loại hoạt tính (AMB), gốm (Al₂O₃ hoặc AlN) là một chất điện môi tuyệt vời, về bản chất là không có khoảng trống—nhưng các liên kết và bề mặt tiếp xúc với tấm đế thì không. Sự phân tách, khoảng trống Kirkendall ở đường liên kết hoặc sự không phù hợp về độ thấm giữa các lớp liền kề tạo ra nồng độ trường tại chính xác vị trí mà dòng điện muốn rò rỉ. Giao diện PD là khó nhìn thấy nhất vì nó nằm bên dưới bề mặt nhìn thấy được.
Khi dây dẫn thoát ra khỏi mô-đun và chạy qua bề mặt cách điện—thanh cái nhiều lớp, PCB điều khiển cổng, khối thiết bị đầu cuối đúc—bề mặt sẽ trở thành đường đua để phóng điện bề mặt, đặc biệt là khi ô nhiễm hoặc hơi ẩm xuất hiện. Đây là phạm vi của đường rò và khe hở cũng như lực cản theo dõi.
Đây là khoảng cách trình độ phổ biến nhất. Thử nghiệm khả năng chịu điện môi AC (hipot) áp dụng sóng hình sin thay đổi chậm. Theo cấu trúc, dv/dt của nó thấp ngay cả ở điện áp thử nghiệm cao, do đó cách điện được đánh giá ở chế độ mà lúc khởi động PD ở mức cao nhất. Một mô-đun hoàn toàn yên tĩnh trên hipot 50/60 Hz vẫn có thể phát triển PD ngay khi được chuyển đổi.
Hai hiệu ứng kết hợp với điểm mù. Đầu tiên, điện cảm và điện dung ký sinh trong mô-đun, liên kết DC và vòng cổng tạo ra hiện tượng vọt lố và đổ chuông trong mỗi lần chuyển đổi, nhanh chóng nâng điện áp lên trên bus danh nghĩa và khiến lớp cách điện phải chịu một ứng suất mà tiêu chuẩn AC chưa bao giờ áp dụng. Thứ hai, dạng sóngPWM là đơn cực và lặp đi lặp lại, do đó sự phân bố trường không đối xứng và điện tích không gian tích tụ tại các giao diện—các vùng không hoạt động dưới điều kiện AC sẽ sáng lên khi chuyển đổi. Kết luận rất thẳng thắn: một hipot sạch là cần thiết nhưng chưa đủ. Chứng nhận PD yêu cầu dạng sóng trông giống như dạng sóng mà mô-đun thực sự nhìn thấy.
IEC 60270, 'Kỹ thuật kiểm tra điện áp cao - Đo phóng điện cục bộ' là xương sống của phép đo. Nó xác định thiết bị—một tụ điện ghép nối và trở kháng đo song song với đối tượng thử nghiệm, được hiệu chỉnh bằng picoculông—và các thông số quan trọng:
Điện tích biểu kiến (q) - pC đã hiệu chỉnh của sự kiện phóng điện.
PDIV - điện áp trên đoạn đường đi lên mà tại đó xuất hiện phóng điện lần đầu tiên.
PDEV - điện áp thấp hơn trên đoạn đường đi xuống mà tại đó nó dừng lại.
Tốc độ lặp lại (n) và các mẫu phân giải theo pha (PRPD) - cho biết vị trí và loại phóng điện đang xảy ra.
Cặp PDIV/PDEV là trọng tâm của việc đánh giá chất lượng. PDEV luôn ở dưới PDIV và trường hợp nguy hiểm là khi PDEV giảm xuống dưới điện áp hoạt động bình thường: khi đó sự phóng điện bắt đầu trong quá trình nhất thời sẽ tiếp tục chạy ở điện áp bình thường và ăn mòn lớp cách điện liên tục thay vì dập tắt. Biên độ mà PDEV luôn ở trên mức điện áp vận hành trong trường hợp xấu nhất là mục tiêu an toàn thực sự, chứ không phải một lần vượt qua ở một điện áp thử nghiệm.
Không phải mọi thử nghiệm điện áp cao đều trả lời câu hỏi PD. Bảng dưới đây sắp xếp các phương thức phổ biến theo những gì chúng thực sự nắm bắt được.
| Phương pháp thử | Nó bắt được gì | Những gì nó bỏ lỡ | Khi nào nên sử dụng nó |
| Điện môi / hipot AC (IEC 60060, IEC 61800-5-1) |
Các khuyết tật tổng thể, sự cố điện môi số lượng lớn, các khoảng trống tổng thể | PD kích hoạt dv/dt; phóng điện nhỏ lặp đi lặp lại | Sự chấp nhận cơ bản Cần, chưa đủ. |
| Khả năng chịu xung/tăng đột biến (xung lặp lại, IEC 60060-1) |
Khả năng chịu đựng cao nhất, lần lượt và lề lớp | Chi tiết PD tốt; lão hóa tốc độ lặp lại | Biên điện áp đỉnh chống quá mức/đổ chuông. |
| Đo lường IEC 60270 PD (kích thích AC hoặcPWM) |
PDIV, PDEV, điện tích biểu kiến, chẩn đoán PRPD | Cần một dạng sóng đại diện để có ý nghĩa | Trình độ chuyên môn PD cốt lõi. Nhu cầu về xung điện, không chỉ AC. |
| IEC 61934 PD theo xung (thời gian tăng ngắn lặp đi lặp lại) |
PD dưới áp lực giống như chuyển mạch; hiệu ứng lặp lại | Giới hạn chấp nhận ít được chuẩn hóa hơn giữa các ngành | Trình độ thiết kế cho SiC / nhiệm vụ chuyển mạch nhanh. |
Đối với các giới hạn chấp nhận, thực hành lực kéo và bộ chuyển đổi đưa ra một neo bê tông: IEC 61287-1 (và EN 61287-1) trích dẫn các giới hạn thường được sử dụng là 10 pC cho một bộ phận và 50 pC cho một hệ thống . Đây là những điểm bắt đầu, không phải tuyệt đối—một ứng dụng chạy dv/dt cao ở độ cao hoặc nhiệt độ cao sẽ thắt chặt chúng—nhưng chúng cung cấp cho bộ xác định một số để ghi lại.
Một khi chế độ thử nghiệm phù hợp, sự lựa chọn vật liệu sẽ quyết định biên độ. Bảng này xếp hạng các vật liệu mà một nhà thiết kế mô-đun thực sự có, theo hành vi của chúng dưới áp lực PD.
| Vật liệu | Kháng PD | CTI (IEC 60112) | Lớp tạm thời | Vai trò mô-đun điển hình |
| Băng mica/băng mica | Tuyệt vời (vô cơ, có khả năng theo dõi) | rất cao | lên đến lớp H (180 ° C)+ | Cách nhiệt, rào chắn lửa |
| Nomex / giấy aramid | Rất tốt | cao | Loại H (180°C) | Cách điện pha/khe, rào chắn |
| màng polyimide | Tốt, mỏng và nhiệt độ cao | trung bình-cao | Loại H (180 ° C)+ | Trình điều khiển cổng, cách ly điều khiển |
| Tấm kính Epoxy (FR-4 / G-10 / G-11) | Tốt nếu khỏi bệnh | vừa phải (CTI ~175–225) | Loại B–F (130–155 °C) | Cách điện thanh cái, giá đỡ thiết bị đầu cuối |
| Gel silicon / RTV | Lấp đầy khoảng trống; rủi ro nếu sủi bọt | cao (bề mặt tự phục hồi) | Loại H (180°C) | Đóng gói chết |
| Chất nền gốm (Al₂O₃ / AlN) | Tuyệt vời (điện môi không có khoảng trống) | không áp dụng (vô cơ) | rất cao | Chất điện môi cơ sở DBC / AMB |
Bảng này ẩn chứa quy tắc quan trọng nhất: điện trở PD là thuộc tính hệ thống , không phải thuộc tính vật chất. Một lớp màng có CTI cao được đặt trên một màng có CTI thấp với bước thấm rõ ràng và đường dẫn khí bị mắc kẹt vẫn sẽ phóng điện. Việc ngâm tẩm không có khoảng trống—lý tưởng nhất là ngâm tẩm bằng áp suất chân không (VPI)—và việc quản lý sạch các quá trình chuyển đổi vật liệu sẽ giúp ích nhiều hơn cho biên PD hơn là đổi loại này sang loại khác. CTI, được đo theo tiêu chuẩn IEC 60112, sau đó quyết định thời gian tồn tại của bề mặt sau khi bắt đầu phóng điện cục bộ: lớp chống đường ray sẽ có thêm thời gian trước khi sự phóng điện bề mặt trở thành đường dẫn điện vĩnh viễn.
Hầu hết PD đều được thiết kế trước khi thử nghiệm. Các bản sửa lỗi rẻ tiền mang tính hình học và cấp độ quy trình:
Kích thước đường rò và khe hở theo tiêu chuẩn IEC 60664-1 đối với mức ô nhiễm thực tế và loại quá điện áp, sau đó giảm suy giảm đối với SiC nhất thời, không phải thanh cái danh nghĩa.
Làm tròn mọi cạnh tại lối ra dây dẫn và vòng phân loại; loại bỏ ba điểm nơi dây dẫn, vật liệu cách nhiệt và không khí gặp nhau.
Kiểm soát các khoảng trống bằng VPI, đóng gói chân không và gel không có bong bóng—bước quy trình có đòn bẩy cao nhất.
Quản lý sự chuyển đổi độ thấm bằng các lớp cân bằng ứng suất thay vì tiếp giáp các vật liệu có εᵣ rất khác nhau.
Ngân sách nhiệt : vì sự khởi động PD giảm theo nhiệt độ, hãy giữ cho lớp cách nhiệt mát hơn giới hạn cấp của nó ở nơi trường cao nhất.
Đối với người chỉ định viết yêu cầu cách điện trên mô-đun nguồn SiC, trình độ chuyên môn phải có nội dung như sau:
Nêu rõ điện áp hoạt động và dv/dt tối đa mà mô-đun sẽ thấy khi vận hành.
Yêu cầu PDIV cao hơn mức chuyển đổi nhất thời trong trường hợp xấu nhất—thường là 1,2× đến 1,5× độ vọt lố cực đại, được đo trên một dạng sóng xung lặp lại hoặc xung xung lặp lại theo tiêu chuẩn IEC 61934.
Yêu cầu PDEV cao hơn điện áp hoạt động bình thường, do đó quá trình phóng điện sẽ tự tắt khi quá trình nhất thời kết thúc.
Đặt giới hạn điện tích biểu kiến (điểm bắt đầu: thành phần 10 pC/hệ thống 50 pC theo IEC 61287-1) và thắt chặt giới hạn này cho chế độ làm việc ở độ cao hoặc nhiệt độ cao.
Ghi lại mẫu PD được phân giải theo pha, không chỉ là số đạt/không đạt, do đó, vị trí và loại phóng điện đều được ghi lại.
Đạt tiêu chuẩn lại đối với bất kỳ thay đổi nào đối với vật liệu, hợp chất khuôn, quy trình liên kết hoặc cấp độ cán mỏng—PD rất nhạy cảm với chính xác các biến số đó.
PDIV là điện áp khởi động phóng điện cục bộ—điện áp đặt vào tại đó hoạt động phóng điện xuất hiện lần đầu tiên. Đó là ngưỡng điện môi thực mà mô-đun SiC đáp ứng trong vận hành và ngưỡng đó thấp hơn nhiều khi chuyển đổi dv/dt nhanh, lặp đi lặp lại so với khi sử dụng sóng hình sin 50/60 Hz chậm được sử dụng cho hipot. Một mô-đun có thể vượt qua một hipot hình sin nhưng vẫn có một tín hiệu điều khiển xung điện xung quanh nó dưới mức chuyển mạch tạm thời của chính nó.
PDIV là điện áp trên đoạn đường đi lên nơi bắt đầu phóng điện; PDEV (điện áp cắt) là điện áp thấp hơn trên đoạn đường đi xuống nơi nó dừng lại. PDEV luôn ở dưới PDIV. Trường hợp nguy hiểm là khi PDEV giảm xuống dưới điện áp hoạt động bình thường: khi đó sự phóng điện bắt đầu trong quá trình nhất thời tiếp tục chạy ở điện áp bình thường và làm xói mòn lớp cách điện liên tục thay vì tự dập tắt.
Không. Thử nghiệm khả năng chịu điện môi 50/60 Hz sử dụng sóng hình sin thay đổi chậm có dv/dt vốn đã thấp, do đó, nó gây áp lực lên lớp cách điện trong chế độ mà lúc bắt đầu PD ở mức cao. Chuyển mạch SiC tạo ra các cạnh 20–100 kV/µs và xung đơn cực, lặp đi lặp lại, kích hoạt PD ở điện áp đỉnh thấp hơn nhiều. Một mô-đun không hoạt động trên hipot có thể nhấp nháy trên hiện trường. Hipot là cơ sở cần thiết chứ không phải là bằng cấp PD.
Tốc độ. Các mô-đun IGBT thường chuyển tiếp ở tốc độ 5–15 kV/µs; Các mô-đun SiC thường chuyển đổi ở tốc độ 20–100 kV/µs. Cạnh nhanh hơn đó buộc điện trường đi qua các khoảng trống, bề mặt tiếp xúc vật liệu và các cạnh sắc trước khi lớp cách điện có thể giãn ra, đốt cháy PD ngay cả khi điện áp cực đại thấp hơn mức khởi đầu hình sin. Thêm hàng tỷ chu kỳ chuyển mạch lặp đi lặp lại và mật độ điện áp chặn cao hơn trong các gói nhỏ hơn, gánh nặng PD tích lũy trên lớp cách điện SiC sẽ nặng hơn nhiều.
IEC 60270 là cơ sở cho phép đo phóng điện cục bộ—điện tích biểu kiến ở dạng picoculông, PDIV, PDEV và các kiểu phân giải pha—nhưng nó được điều chỉnh cho AC lên đến khoảng 2000 Hz. Đối với các xung lặp đi lặp lại, thời gian tăng ngắn thực sự gây ứng suất cho mô-đun nguồn, IEC 61934 (đo điện PD trong thời gian tăng ngắn và các xung điện áp lặp lại) là phương pháp thích hợp. Chứng nhận hoàn chỉnh sử dụng cả hai: IEC 60270 cho khung đo lường và IEC 61934 cho kích thích giống như chuyển mạch.
CTI, chỉ số theo dõi so sánh (được đo theo tiêu chuẩn IEC 60112), là điện áp tại đó vết cacbon dẫn điện hình thành trên bề mặt vật liệu dưới một giọt chất gây ô nhiễm. CTI cao có nghĩa là bề mặt chống lại sự theo dõi khi PD bắt đầu tấn công nó. Đối với lớp cách nhiệt nằm trên các đường rò bên trong mô-đun nguồn, loại CTI cao (chẳng hạn như các lớp mỏng chống vết, mica hoặc aramid) sẽ có thời gian trước khi sự phóng điện bề mặt biến thành đường dẫn điện vĩnh viễn.
Bài học dành cho bất kỳ ai chỉ định lớp cách nhiệt xung quanh mô-đun silicon-cacbua rất đơn giản: chỉ dừng định mức nhiệt và bắt đầu định mức tốc độ. Lỗi kết thúc mô-đun SiC ít nhất có khả năng là sự phóng điện cục bộ bắt đầu từ cạnh 20–100 kV/µs khi bắt đầu do nhiệt độ—và một hipot 50/60 Hz sẽ không nhìn thấy điều đó. Đo PDIV và PDEV trên dạng sóng dv/dt đại diện, giữ PDEV trên điện áp hoạt động và coi cấu trúc không có khoảng trống là nền tảng của toàn bộ biên.
