如何實(shí)施IGBT裝置的絕緣耐壓測(cè)試？

1. 概要

IGBT作為大功率電力電子器件廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備中。為了滿足安全要求，這些設(shè)備在電氣設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中要遵循相應(yīng)的規(guī)范。耐壓測(cè)試是對(duì)安全設(shè)計(jì)最為重要的檢測(cè)和評(píng)估手段，又被稱為高壓測(cè)試，隔離測(cè)試，抗電強(qiáng)度測(cè)試。那么，針對(duì)不同應(yīng)用的IGBT裝置，測(cè)試電壓大小該如何確定？測(cè)試時(shí)間多長(zhǎng)？使用交流電壓測(cè)試好還是直流電壓測(cè)試好？帶著這些問題，我們一同了解下該如何實(shí)施IGBT裝置的絕緣耐壓測(cè)試。

1.1 耐壓型式試驗(yàn)

耐壓型式試驗(yàn)用來驗(yàn)證安全間距和絕緣是否具備足夠的抗電強(qiáng)度來承受可能出現(xiàn)的過電壓。通過耐壓型式試驗(yàn)還可以檢驗(yàn)設(shè)備在整個(gè)生命周期內(nèi)是否可以安全工作。在測(cè)試中，設(shè)備在整個(gè)生命周期承受的電氣應(yīng)力被等效為短時(shí)間內(nèi)施加的高壓，經(jīng)驗(yàn)公式如下：

• Uoperating voltage: 工作電壓
• Tlifetime: 設(shè)備壽命
• Utest voltage: 測(cè)試電壓
• Ttest time: 測(cè)試持續(xù)時(shí)間

在一些安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中，上面的經(jīng)驗(yàn)公式被用來確定耐壓型式試驗(yàn)的測(cè)試條件（指數(shù)n=6）。一般會(huì)以設(shè)備預(yù)期壽命20年來計(jì)算對(duì)應(yīng)的測(cè)試電壓。以此計(jì)算，一臺(tái)工作電壓為230V的設(shè)備的耐壓型式試驗(yàn)測(cè)試條件應(yīng)為3400V，持續(xù)一分鐘。

需要注意的是，經(jīng)過耐壓型式試驗(yàn)測(cè)試過的設(shè)備絕緣會(huì)完全老化，不能再次使用。因此被測(cè)樣品應(yīng)該在測(cè)試后做報(bào)廢處理。

1.2 常規(guī)耐壓測(cè)試（出廠耐壓測(cè)試）

與型式試驗(yàn)不同，常規(guī)耐壓測(cè)試的目的是確認(rèn)設(shè)備的安全間距和絕緣沒有在生產(chǎn)過程中降低或損傷，篩選出絕緣性能有缺陷的材料。為了確保所有絕緣相關(guān)的生產(chǎn)失效被檢出，耐壓測(cè)試應(yīng)該被安排在設(shè)備的所有裝配流程完成之后。

常規(guī)耐壓測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該既可以檢出安全絕緣相關(guān)的失效，同時(shí)又最小程度的造成設(shè)備的絕緣老化?；谡鹿?jié)1.1的經(jīng)驗(yàn)公式，典型的常規(guī)耐壓測(cè)試對(duì)于受檢設(shè)備的壽命影響應(yīng)該小于0.000001%。

因?yàn)槟蛪簻y(cè)試會(huì)對(duì)絕緣性能造成降級(jí)。當(dāng)必須要重復(fù)進(jìn)行耐壓測(cè)試時(shí)，第二次測(cè)試的電壓幅值需要適當(dāng)降低，通常安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)給出的建議是第一次測(cè)試幅值的80%。

雖然有些標(biāo)準(zhǔn)中給出的測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，如60秒，但典型的常規(guī)耐壓測(cè)試持續(xù)時(shí)間是1秒或者3秒。對(duì)于半導(dǎo)體器件UL1557中有建議通過增加測(cè)試電壓的方式來縮短測(cè)試持續(xù)時(shí)間。比如額定電壓測(cè)試60秒可以等效為120%額定電壓測(cè)試1秒。賽米控產(chǎn)品的耐壓測(cè)試條件通常會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出（Visol）。如果標(biāo)注的測(cè)試持續(xù)時(shí)間為5秒或60秒，則為耐壓型式試驗(yàn)條件；如果標(biāo)注的測(cè)試持續(xù)時(shí)間為1秒或3秒，則為常規(guī)耐壓測(cè)試條件。

2. 耐壓測(cè)試

2.1 測(cè)試設(shè)備

市面上有很多品牌的耐壓測(cè)試設(shè)備，主要區(qū)別在于：

• 最高施加電壓能力
• 最大施加電流能力
• 交流或直流電壓選項(xiàng)

這些設(shè)備基本都可以滿足EN61180中對(duì)耐壓測(cè)試設(shè)備相關(guān)的要求。除了穩(wěn)定的電壓質(zhì)量，耐壓測(cè)試設(shè)備的短路輸出電流能力要高于200毫安。UL1557標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，500VA的變壓器應(yīng)該足以維持測(cè)試要求的電壓。

2.2 測(cè)試條件

一般情況下，耐壓測(cè)試采用50Hz或60Hz的交流電壓進(jìn)行測(cè)試。如果被測(cè)電路中含有電容，建議以等同于標(biāo)注交流電壓峰值的直流電壓進(jìn)行測(cè)試。值得注意的是，由于被測(cè)絕緣物質(zhì)的抗電特性不同，直流電壓并不能完全等效于交流電壓。

測(cè)試電壓的極性對(duì)閃絡(luò)電壓會(huì)有影響，所以直流電壓測(cè)試應(yīng)變換正負(fù)極測(cè)試兩次。帶有較大面積銅底板的半導(dǎo)體模塊的陶瓷基板兩面間具有相對(duì)大的寄生電容（可高達(dá)10uF）,因此建議使用直流電壓進(jìn)行耐壓測(cè)試。在出現(xiàn)故障時(shí)，直流電流對(duì)于人心臟損傷風(fēng)險(xiǎn)更低，出于人身安全的考慮，在生產(chǎn)線上建議使用直流電壓進(jìn)行耐壓測(cè)試。

另外，按照安規(guī)規(guī)定，交流耐壓測(cè)試的漏電流小于3毫安時(shí)可以不需采取額外的安全措施。而對(duì)于直流耐壓測(cè)試，漏電流的要求是低于12毫安無需采取額外的安全措施。如果漏電流高于這些規(guī)定值，很多國(guó)家都強(qiáng)制要求測(cè)試在特制測(cè)試房或有警示燈提示的密閉空間進(jìn)行。

有些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了耐壓測(cè)試的環(huán)境條件，典型條件為環(huán)境溫度為15°C到35°C，相對(duì)濕度45%到75%，大氣壓在860hPa到1060hPa之間。

2.3 被測(cè)設(shè)備

耐壓測(cè)試的被測(cè)設(shè)備可能包含彼此電氣隔離的幾部分電路，這些電路內(nèi)或電路之間的絕緣有以下分類：

• 功能絕緣：在電路內(nèi)部分隔了不同電位，但是不是安全相關(guān)的隔離；
• 基本絕緣：隔離了與電網(wǎng)相連的電路和接地的裸露部件。因?yàn)槁懵恫考慕拥?，基本絕緣擊穿后不會(huì)導(dǎo)致人身安全受損；
• 保護(hù)性（雙重/加強(qiáng)）絕緣：隔離了與電網(wǎng)相連的電路和不接地的裸露部件或控制電路。這類絕緣擊穿后會(huì)使得操作人員可能接觸的控制電路帶有電網(wǎng)電位，具有致命的危險(xiǎn)。

功能絕緣不需要進(jìn)行耐壓測(cè)試，只有與安全性相關(guān)的基本絕緣和加強(qiáng)絕緣需要通過耐壓測(cè)試來驗(yàn)證隔離性能。

2.4 測(cè)試流程

大部分電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行耐壓測(cè)試時(shí)滿足以下條件：

• 被測(cè)電路（設(shè)備）的外部端子要連接在一起；
• 設(shè)備中的斷路器（接觸器）應(yīng)該處于閉合狀態(tài)或被旁路；
• 電壓阻斷類器件（如整流二極管）的端子要連接在一起。

下圖展示了一臺(tái)變流器的耐壓測(cè)試連接示例：

圖1 耐壓測(cè)試中變流器所有端子的連接示例

如果被測(cè)設(shè)備包含相互間具有基本絕緣或是雙重絕緣的幾部分電路，那么就需要對(duì)每部分絕緣都進(jìn)行耐壓測(cè)試。耐壓測(cè)試電壓等級(jí)相同的電路可以被連接在一起測(cè)試。由于測(cè)試要求的電壓不同，耐壓型式試驗(yàn)和常規(guī)耐壓測(cè)試的電路連接可能會(huì)有所不同。

下圖是為了減少耐壓測(cè)試次數(shù)，對(duì)一臺(tái)變流器的不同功能電路端子連接示例：

圖2 減少耐壓測(cè)試次數(shù)的變流器功能電路連接示例

示例中，連接到電網(wǎng)的功率部分對(duì)地具有基本絕緣能力。標(biāo)綠色部分是驅(qū)動(dòng)控制電路，其與功率部分具有加強(qiáng)絕緣隔離，驅(qū)動(dòng)控制電路對(duì)地電壓低于50V。如果該設(shè)備的基本絕緣和加強(qiáng)絕緣測(cè)試電壓和持續(xù)時(shí)間相同，則可以將驅(qū)動(dòng)控制部分與地連接在一起對(duì)功率部分做耐壓測(cè)試；如果測(cè)試電壓不同，這三部分電路（地，功率部分，驅(qū)動(dòng)控制部分）就需要分別進(jìn)行耐壓測(cè)試。

IGBT功率模塊的溫度傳感器通常對(duì)功率部分只有功能絕緣能力。這意味著耐壓測(cè)試時(shí)溫度傳感器應(yīng)該與功率部分連接在一起，但大部分的應(yīng)用場(chǎng)景里該溫度傳感器是與驅(qū)動(dòng)控制部分電路連接在一起的。即便這種連接通過了耐壓測(cè)試，也并不意味著溫度傳感器與功率部分的絕緣滿足加強(qiáng)絕緣。

如果外部端子沒有按照要求相互短接在一起，半導(dǎo)體器件有可能在耐壓測(cè)試故障時(shí)損壞。耐壓測(cè)試的電壓等級(jí)通常會(huì)比半導(dǎo)體器件的阻斷電壓高，一旦測(cè)試中某處直流電壓母線上絕緣失效且測(cè)試電壓是連接在交流端子上，則本例中全部的測(cè)試電壓會(huì)施加在二極管上導(dǎo)致其電壓擊穿，如下圖所示。

圖3 耐壓測(cè)試中絕緣失效導(dǎo)致半導(dǎo)體器件過壓的示例

在進(jìn)行耐壓測(cè)試之前，設(shè)備中的浪涌保護(hù)器件必須被斷開。如果施加測(cè)試電壓的設(shè)備端子間并聯(lián)了大容量的電容，進(jìn)行交流耐壓測(cè)試可能會(huì)很困難，甚至是不可能完成的。因?yàn)槟蛪簻y(cè)試設(shè)備對(duì)電容的充電電流可能會(huì)超過設(shè)定的允許漏電流閾值。對(duì)于這種情況，可以在進(jìn)行耐壓測(cè)試前斷開并聯(lián)電容。如果無法斷開電容，建議使用直流電壓進(jìn)行測(cè)試。

表1中給出了部分功率電子相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)耐壓測(cè)試的要求：

• 電氣傳動(dòng)設(shè)備[3][23]
• 不間斷電源（UPS）[13]
• 光伏電源系統(tǒng)[14]
• 動(dòng)力裝置[7][10][15][16][22]
• 鐵路應(yīng)用[6][17]
• 信息技術(shù)[18]
• 功率半導(dǎo)體[8][20]

表1中數(shù)據(jù)對(duì)1000V以下的基本絕緣有效。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的耐壓測(cè)試條件

2.5 測(cè)試電壓幅值

耐壓測(cè)試的電壓幅值與被測(cè)設(shè)備的工作電壓相關(guān)。基于此原因，設(shè)備與電網(wǎng)間的接法就至關(guān)重要。在星形接法中（TN），相電壓小于線電壓，因此設(shè)備絕緣的電壓應(yīng)力要比同樣電壓等級(jí)的三角形接法（相電壓與線電壓相等）要小。

表2給出了數(shù)個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于星型接法設(shè)備基本絕緣的測(cè)試電壓。對(duì)于常見的典型電網(wǎng)電壓，分別列出了型式試驗(yàn)和常規(guī)測(cè)試適用的測(cè)試電壓幅值。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于星型接法設(shè)備的基本絕緣規(guī)定的交流電壓測(cè)試值

不同標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測(cè)試電壓差別很大（最多差三倍）。半導(dǎo)體模塊生產(chǎn)廠家通常會(huì)在模塊的絕緣設(shè)計(jì)時(shí)考慮滿足所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的最高要求。

表3給出了數(shù)個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于星型接法設(shè)備保護(hù)性絕緣的測(cè)試電壓。對(duì)于常見的典型電網(wǎng)電壓，分別列出了型式試驗(yàn)和常規(guī)測(cè)試適用的測(cè)試電壓幅值。

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于星型接法設(shè)備的保護(hù)性絕緣規(guī)定的交流電壓測(cè)試值

半導(dǎo)體模塊本身不具備安全隔離功能，因此上表給出的電壓只適用于使用了半導(dǎo)體模塊的設(shè)備測(cè)試。測(cè)試電壓必須持續(xù)增加到最大值且維持一段時(shí)間。某些標(biāo)準(zhǔn)定義了維持時(shí)間，如最短5秒。

2.6 測(cè)試失效

不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于耐壓測(cè)試中失效模式的描述大致如下：

• 電氣擊穿：受測(cè)絕緣或隔離在測(cè)試中出現(xiàn)失效導(dǎo)致放電電流直接通過，兩端測(cè)試電極電壓接近于零；
• 破壞性放電：介質(zhì)擊穿后形成的電弧通路；
• 跳火：氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)中發(fā)生的破壞性放電；
• 閃絡(luò)：氣態(tài)或液態(tài)媒介中的固態(tài)介質(zhì)表面發(fā)生的破壞性放電；
• 穿刺：固態(tài)介質(zhì)發(fā)生的破壞性放電。

不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)耐壓測(cè)試失效的定義并不一致，有些甚至相互沖突。一般來說滿足以下條件就認(rèn)為通過耐壓測(cè)試：

• 沒有破壞性放電發(fā)生，漏電流不超過規(guī)定值；
• 沒有擊穿或絕緣擊穿發(fā)生；
• 測(cè)試電流沒有以不受控方式增長(zhǎng)。電暈放電或單次的瞬時(shí)閃絡(luò)不認(rèn)為是絕緣擊穿。

3 耐壓測(cè)試與其他隔離測(cè)試的區(qū)別

3.1 脈沖電壓測(cè)試

用來模擬大氣中出現(xiàn)的過壓，包括由于設(shè)備開關(guān)動(dòng)作引起的過壓。通常用來驗(yàn)證器件的安全間距或固態(tài)絕緣具有足夠的抗電強(qiáng)度。這種測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試時(shí)間非常短，施加在絕緣上的電氣應(yīng)力很小，不會(huì)造成被測(cè)器件的絕緣老化。

固態(tài)絕緣的抗電特性與安全間距不同，隨著施加電氣應(yīng)力時(shí)間增加，固態(tài)絕緣的抗電能力會(huì)顯著下降。因此，脈沖電壓測(cè)試不能夠替代耐壓測(cè)試來驗(yàn)證固態(tài)絕緣的抗電能力。

3.2 局部放電測(cè)試

確認(rèn)器件中的固態(tài)絕緣在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)沒有局部放電現(xiàn)象。在安全間隙中未引起擊穿的局部放電可以忽略。局部放電測(cè)試施加電壓通常會(huì)低于大氣中可能出現(xiàn)的過壓幅值。

3.3 絕緣電阻測(cè)試

被用來評(píng)估設(shè)備的絕緣狀況。一般在設(shè)備的日常維護(hù)中使用此方法。通過一段時(shí)間（數(shù)年）的監(jiān)測(cè)記錄，前后測(cè)試結(jié)果的比較用來評(píng)估設(shè)備絕緣是否有老化。由于端子間電壓很低，絕緣電阻測(cè)試設(shè)備無法用來評(píng)估設(shè)備中安全間距的降級(jí)。