Частичные разряды. Решение проблема долговременной надежности современных преобразователей - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

163
Частичные разряды. Решение проблема долговременной надежности современных преобразователей

Для того чтобы понять суть проблемы сначала разберемся в ее истоках. Согласно определению, данному в стандартах, в нашем случае это ДСТУ EN 60270:2016 [1], частичным разрядом (англ. partial discharge) – называется локальный электрический разряд, который шунтирует только часть изоляции в электроизоляционной системе. Как правило, такие электрические разряды, которые происходят в изоляции электрооборудования, обычно возникают в электрических системах, работающих при напряжении от 3000 В и выше. Однако тут есть нюансы, о которых забывают, но на которые нам следует обратить внимание.

Этот эффект вызван наличием неоднородностей, чаще микроскопических пустот, наполненных газом, но чаще всего – воздухом, присутствующих в изоляционном материале. Постепенное и последовательное разрушение таких микропор в материале, производимой во время электрического разряда плазмой, если он органического типа, приводит к его карбонизации (рис.1).

На рис.1 обозначено:

Conductor – токопроводящая поверхность;

Void– пустота;

Discharge – разряд;

Insulation – изоляция.

Причем всё это происходит даже, несмотря на то, что порождающий частичные разряды заряд измеряются в пикокулонах, а энергия разряда измеряется пикоджоулях. Таким образом, характеристики изоляционного барьера деградируют, поскольку пустоты становятся постоянными короткими замыканиями, уменьшая эффективную общую толщину изоляции, приводя к более высокой напряженности поля на оставшейся «уцелевшей» изоляции. Далее деградация нарастает с той или ной скоростью и этот процесс может привести отказу.

Самое плохое последствие частичных разрядов в том, что такие дефекты сложно обнаруживаются при изготовлении и «срабатывают» они уже через достаточно длительный промежуток времени на месте эксплуатации конечного оборудования, часто с катастрофическими последствиями для последнего. Возникновение частичного разряда начинается внезапно при некотором начальном напряжении VPD. Частичный разряд происходит только при высоком приложенном напряжении с конкретными условия возникновения и определенным коэффициентом экстинкции, эти условия совместно определяются размером пустот и давления газа или воздуха в пустотах, и характеризуется кривой Закона Пашена. Уравнение, на основании закона Пашена, описывает зависимость напряжения пробоя от произведения давления газа и расстояния между электродами, выведено немецким физиком Фридрихом Пашенном в 1889 году (рис.2) [2].

Учитывая типичное требование органов сертификации по безопасности для толщины однослойной твердой изоляции в 0.4 мм и требования по минимальному напряжению возникновения частичных разрядов установлены на уровне в 4 кВ напряжения постоянного тока, а для оценки долгосрочной надежности нам необходимо использовать напряженность электрического поля равную 10 кВ/мм, как это показывает линия B на рис.2. Как видим, графики А и B здесь пересекаются в точке некоторого размера пустоты и этот размер является границей того произойдет в ней пробой или нет. Так здесь мы видим условие, при котором пустоты с размерами менее 200 мкм будут пробиты электрическим разрядом. Относительно легко назвать тип конструкционного материала в виде термопластичной или термореактивной пластмассы, или стеклотекстолита, который используется в печатных платах, используемых для изготовления планарных трансформаторов, в которых будут иметься пустоты, размеры которых лежат ниже границы в 200 мкм. Многослойная изоляция, как правило, имеет гораздо меньшую общую толщину, так как органы контроля по безопасности оборудования, как правило, в качестве эквивалента однослойной твердой изоляции толщиной 0.4 мм допускают использовать три слоя соответствующей по диэлектрической прочности изоляционной пленки общей толщиной в 0.15 мм.

Однако проблема в том, что в этом случае материал находится в электрическом поле с напряженностью 27 кВ/мм, которая представлена в виде линии С на рис.1, и пересекает кривую Пашена в точке с размером приблизительно 15 мкм. Поры такого размера или более между слоями изоляции практически гарантированы на все 100%. Поэтому система с такой изоляции будет выдерживать испытательное пробивное напряжение без пробоя в виде кратковременного теста, но будет подвергаться воздействию множественных частичных разрядов. Следствием этого будет иметь место накопление медленно деградирующих областей вокруг мест такого частичного пробоя.

Испытание показывает, что начальное напряжение возникновения частичного разряда по уровню выше, чем типичное рабочее напряжение материала изоляционного барьера, но именно его определение является хорошим индикатором с точки зрения гарантирования долгосрочной надежности. Для такого тестирования имеется соответствующее специализированное испытательное оборудование, которое может регистрировать крошечные импульсы тока, которые являются следствием разряда пикокулоных зарядов. Традиционный акустический метод здесь не работает, поскольку для решения рассматриваемой проблемы мы имеем дело с весьма миниатюрными элементами. В общем, таких методов три, два мы уже упомянули, третий - электромагнитный, или дистанционный, СВЧ-метод. Большинство электрических методов не требуют подачи на объект измерения напряжений, значительно превосходящих номинальные рабочие значения, поэтому они являются щадящими для изоляции электрооборудования. На этом мы ограничимся, поскольку рассмотрение методики измерения не относится к теме настоящей статьи.

Можно сделать первый вывод.

Для обеспечения устойчивого иммунитета к частичным разрядам, наилучшим будет решение которое представляет собой один сплошной изоляционный барьер. Естественно, это требует также жесткого контроля наличия пустот в изоляционном материале. Твердая изоляция с запасом по рабочему напряжению здесь более выгодна, поскольку она уменьшает напряженность поля в объеме материала, увеличивая допустимый размер пустот, по которым в соответствии с кривой Пашена может произойти частичный пробой. А вот использование многослойной тонкой изоляции здесь настоятельно не рекомендуется.

Итак, мы выяснили причины, особенности поведения частичных разрядов и как на них реагирует изоляция, и определили некоторый критерий. Однако возникает вполне законный вопрос – если оборудование в виде того или иного преобразователя мощности работает от шины напряжения значительно ниже 3000 В, а в качестве изоляционного барьера изоляция используется изоляция, выдерживающая такое напряжение, то зачем думать о частичных разрядах?

Ответ на этот вопрос состоит из двух. Во-первых, при коммутируемом напряжении точка «срабатывания» частичного разряда также зависит еще и от частоты переключения, а если говорить еще точнее – то и от скорости нарастания напряжения. А, вот ответ на «во-вторых» - сложнее и на нем мы остановимся более подробно.

Представим, что наше оборудование – это некий преобразователь, выполненный в виде полумостовой или мостовой схемы с ключами на транзисторах IGBT или на МОП-транзистоах. Для их управления используются, как известно специальные драйверы, в обязанность которых входит формирование напряжения включения, как правило от 5 до 12 В, и выключения, как правило, это 0 В или напряжение ниже некоторого порога, заданного изготовителем. Иногда, для запирания формируется отрицательное напряжения. В общем виде, простейший вариант схемы управления вы видите на рис.3.

Проблемы возникают, когда устройство переключается быстро, поскольку тут в игру вступают паразитные емкостные и индуктивные элементы, как это показано на рис.4.

Если мы возьмем для примера значения di/dt для тока сток-исток равное 10 А/нс, что вполне возможно с современными транзисторами, а индуктивность в цепи истока равную 15 нГ (эта индуктивность представляет собой эквивалент дорожки печатной платы длиной около 25 мм), и помня, что на ней индуцируется э.д.с. самоиндукции равная V = - L di/dt, то из-за наличия паразитной индуктивности мы получаем скачек напряжения равный 150 В. При выключении напряжение подтягивает исток транзистора относительно драйвера затвора в отрицательную область, а при включении – в положительное, то есть, снова противоположное напряжению драйвера. Следствием этого может быть потеря эффективности (в данном контексте – это КПД) и даже повреждение из-за ложного включения, приводящего к возникновению сквозного тока в плече мостовой или полумостовой схемы [3].

В случае, когда избежать некоторой индуктивности в цепи эмиттера (далее для удобства и универсальности - истока) по тем или иным причинам нельзя, нам, для гарантированного выключения транзистора, помогает использование управление затвором драйвера с отрицательным напряжением. Наличие напряжения отрицательной полярности на выходе драйвера управления затвором помогает также преодолеть влияние емкости затвор-коллектор (далее для удобства и универсальности – стока) известной, как емкость «Миллера», через которую осуществляется подача части тока в цепь управления затвором во время выключения ключа.

В реальных схемах мы сталкиваемся с еще одной проблемой, которая напрямую касается темы статьи. Дело в том, что два транзистора низкой стороны в двухтактных или полных мостовых схемах в инверторах или в управлении двигателями, часто имеют общую цепь возврата для тока в цепи истока и затвора, как это показано на рис.5.

Проблема заключается в том, что здесь соединения по схеме Кельвина становятся невозможны. Это связано с тем, что у нас имеется два драйвера и каждый со своим возвратным током. Два заземления драйвера и два подключения эмиттера (истока) теперь должны соединяться вместе, и если эта точка, скажем, физически находится в точке обозначенной, как «Силовая земля 1», рядом с левым ключом, то правый ключ будет «видеть» большую индуктивность в цепи подключения истока, чем левый, приводя к асимметричному переключению. Такое переключение является потенциально опасным из-за возможного повреждения транзистора по причине высокого напряжения переходного процесса, который является следствием наличия большей индуктивности. Для симметрии точка, обозначенная, как «Силовая земля 2», является единственным приемлемым вариантом. Но это плохой компромисс, поскольку теперь в контуре управления затвора оба драйвера в цепи истока имеют хоть и одинаковую, но все равно большую индуктивность соединения. Особенно негативно это сказывается в системах большой мощности, где транзисторы ключей физически могут не находиться достаточно близко друг к другу.

Решение, обеспечивающее подключение по схеме Кельвина состоит в том, чтобы обеспечить изолированные сигналы управления и источники питания для двух драйверов затвора, как показано на рис.6. Теперь драйверы могут беспроблемно подключаться каждый непосредственно к истоку своего транзистора, исключая большинство внешних индуктивностей из контуров драйверов.

Обычно схема, приведенная на рис.6, также используется и для двух «верхних» ключей в полном H-мосте, где две цепи возврата тока драйвера затвора фактически являются узлами противофазной коммутации и поэтому опять-таки должны быть изолированы друг от друга.

Однако на верхнем плече коммутируемого моста мы имеем напряжение высокого уровня (шина D-link), которое будет присутствовать, и проявляться на компонентах изоляции драйвера затвора. Здесь мы сталкиваемся с тем, что высокие значения dV/dt приводят к возникновению тока смещения. Этот ток, который протекает через емкость изоляционного барьера в соответствии с зависимостью I = C dV/dt, причем это ток находится на уровне единиц ампер, обусловлен быстрыми видами поляризаций в изоляционном диэлектрике. При предельных скоростях 100 В/нс барьерная емкость всего в 10 пФ будет пропускать через себя 1 А тока, который будет циркулировать через первичную цепь драйвера затвора с потенциально возможным нарушением его функционирования.

В качестве итога отметим, что ключевыми параметрами при оценке долговременной надежности изоляции драйверов затвора являются уровень скорость нарастания напряжения переключения dV/dt и частота. Также, не забываем и о том, что при выборе рабочего напряжения изоляции драйвера должны быть оценены и добавлены к напряжениям системных шин переходные процессы напряжения в виде выбросов и резонансов, связанных с паразитными емкостями и индуктивностями. Причем это касается не только транзисторов ключей, а рассматриваться в варианте их конструктивного включения со всеми линиями связи. Именно это является причиной того, что при выборе решения изоляционного барьера нельзя рассчитывать только на номинальное рабочее напряжение. Особенно тогда, когда вы проектируете критически важное с точки зрения долговременной надежности оборудование.

Ситуация усугубляется еще и тем, что современные транзисторы на полупроводниках с широкой запрещенной зоной (Wide Band Gap, WBG) карбид кремниевые и нитрид галлиевые, для уменьшения потерь и повышения плотности мощности, используются как раз на высоких частотах со сверхбыстрым переключением и при высоких напряжениях. Все это приводит к тому, что уже на номинальном рабочем напряжении их изоляция, вследствие переходного процесса, может подвергаться напряжениям, лежащим в области формирования частичного разряда.

Что же делать?

Компоненты изоляции сигнала управления в цепи затвора обычно представляют собой оптопары или трансформаторы. Рабочие характеристики микросхем изолированного драйвера затвора определяются ключевыми параметрами, показанными в табл.1 с расшифровкой согласно [3]. Главный из них – это их устойчивость к воздействию синфазных помех (Common-Mode Transient Immunity, CMTI) между входом и выходом. Он наиболее подходящий параметр для нашей схемы при высоком значении dV/dt.

Однако значения этих параметров, как правило, получено путем лабораторных измерений, и скорее всего с единичными импульсами или определены стандартными тестами, в которых часто используется напряжение переменного тока частотой 50/60 Гц, напряжении постоянного тока или пиковое значении напряжения. Крайне редко можно найти оценку надежности при высоком, коммутируемом напряжении в зависимости частоты, приложенным к изоляции обмотки трансформатора или хотя бы значение CMTI. Кроме того, как правило в спецификации ничего не сказано о долговременной надежности изоляционного барьера при постоянном высоком напряжении с одновременным высоким значением dV/dt.

Что касается непосредственно изоляции, то для импульсных трансформаторов обеспечение высокого уровня изоляции варьируются в зависимости от области применения. Это может быть эмалированная проволока, которая способна выдержать одиночное испытание повышенным напряжением, но она с почти всегда гарантированными точечными, пуст и микроскопическими, отверстиями в эмалевом или лаковом покрытии, априори не является надежной.

Органы сертификации, следящие за безопасностью электрооборудования, безусловно, не допускают использование такого решения в качестве защитного барьера при любом напряжении. Однако, специальный повод с улучшенной изоляцией, такой как тройная изоляция, может получить одобрение сертификационной организации. Но тут возникает другая проблема – этот провод является довольно-таки толстым и его использование приводит к относительно высокой емкости связи межу обмотками трансформатора и, как следствие, к высокому току смещения. Такой провод также показал низкие характеристики производительность при коммутации высокого напряжения по причине накопления дефектов из-за эффектов частичного разряда в слоях изоляции. Идеальная конструкция - это та, в которой обмотки физически разделены гарантированным расстоянием по воздуху (воздушным зазором). Такое решение полностью удовлетворяет требования органов контроля за безопасности и обеспечивает низкую емкость связи. Кроме того, и это немаловажно, здесь не нужно отдавать все на откуп твердому изоляционному материалу, который может подвергаться деградации по причине, как уже было сказано, негативного влияния частичного разряда.

На рис.7 показан трансформатор драйвера затвора с физическим разделением между обмотками.

Точно такие же соображения применимы к трансформаторам в источниках питания изолированных драйверов затвора, характеристики которых в части CMTI часто опускаются, а устойчивость изоляции при воздействии высокого напряжения определяется другими способами.

Все вышесказанное подтверждается экспериментальными исследованиями, проведенными компанией Murata [2]. Как было установлено в ходе испытаний, преобразователи серий MGJ2 и MGJ3, специально предназначенные для применения в системах питания драйверов ключей на высокой стороне приводов, показали очень хорошие результаты, поскольку напряжение возникновения частичных разрядов, по существу соответствуют их «функциональным» рабочим напряжениям по изоляции. Преобразователи серии NXJ с их монолитной конструкцией также показали хорошие результаты. А вот преобразователи серии NDS6, изоляция которых обеспечивается только эмалью проводов намотки трансформатора, показали самый низкий рейтинг по уровню напряжению возникновения частичного разряда, это говорит о том, что преобразователи такого типа следует использовать только в системах с низким рабочим напряжением, которое не превышает по уровню значения функционального напряжения изоляции преобразователей этой серии.

Интересно, что, возможно, по этим же причинам, преобразователи серии NCM6 с изолированным проводом, имеющим тройную изоляцию, показывают относительно низкое напряжения возникновения частичного пробоя (около 2 кВ) и также непригодны для применения в драйверах на стороне высокого напряжения. Если использованный в разделительном трансформаторе провод рассчитан на испытательное напряжение 4 кВ переменного тока, то при условиях испытаний в нем, что вполне вероятно, уже имели место частичные разряды и он до некоторой степени деградировал. Это оправдывает предупреждение, которое производители изолированных DC/DC-преобразователей специально указывают в спецификациях, что повторение высоковольтных испытаний электрической прочности изоляционных барьеров ведет к их деградации и проведение таких проверок не рекомендуется.

Аналогичные исследования провела и компания Recom, которая признала потенциальные проблемы с трансформаторами в изолированных DC/DC-преобразователях, которые подвержены воздействию высоких коммутируемых синфазных напряжений. Исследования состояли из оценки специально сконструированных тридцати мощных полумостовых каскадов, с изолированным переключением на высокой и низкой стороне. На рис.8 приведена базовая схема тестирования для оценки влияния частичного разряда. Отметим, что трансформатор T1 не является целью испытаний.

Для оценки поведения изоляции были построены и использованы три различных конфигурации подключения драйверов, как указано в табл.2. При этом устройства подвергались испытания при температуры окружающей среды 70°С при рабочей частоте переключения 50 кГц и граничной скорости нарастания напряжения равной 65 кВ/мкс в течение 1464 часов с воздействием на изоляционный барьер напряжения шины постоянного тока 1000 В.

Измерения частичного разряда проводились до и по завершению испытаний. Они показывают, что в используемых конфигурациях DC/DC-преобразователей, специально разработанных компанией, для современного оборудования, какого-либо значительного ухудшения характеристик изоляции не было выявлено. Начальное напряжение частичного разряда оставалось более чем в два раза выше приложенного пикового напряжения переключения, что указывает на хороший технологический запас и с высокой долей вероятности гарантирует надежную долговременную работу изолированных DC/DC-преобразователей компании RECOM.

Только ли в гальванической развязке драйверов лежит рассматриваемая нами проблема? К сожалению, это далеко не так. Они касаются и изоляции непосредственно и самих IGBT-модулей. Даже напряжение пробоя твердых неорганических материалов не следует принимать за чистую монету. Например, стекло, считающееся отличным изолятором, имеет пробивное напряжение около 60 кВ/мм, но это при частоте 60 Гц. А вот на частоте 1 МГц этот показатель составляет всего лишь 5 кВ/мм. Поскольку толщина изоляции интересующих нас микросхем драйверов затвора не превышает 10 мкм, то здесь необходимо особенно тщательно рассмотреть возможные негативные эффекты частичного разряда, особенно, как об этом было сказано выше, на высоких частотах коммутации.

Изоляция управляющих сигналов драйвера затвора и питания в двухтактных и мостовых схемах решает проблему воздействия напряжения переходных процессов на цепи затвора как по низкой, так и по высокой стороне (нижнему и верхнему плечу). Однако изоляционный барьер на высокой стороне остается подверженным воздействию высокого уровня синфазного напряжения, а его негативное действие усугубляется при наличии высокой рабочей частота преобразования при преобразовании энергии и высоких граничных скоростях по скорости нарастания при включении. Это делает его изоляционный барьер уязвимым к эффекту частичного разряда.

Силовые электронные системы являются ключевыми компонентами для эффективной передачи и распределения электроэнергии, а также для обеспечения стабильности работы энергосистем в целом. Продолжение децентрализации энергоснабжения в сегменте среднего и высокого напряжения приводит к все более увеличивающемуся спросу на приводы, преобразователи энергии и на автоматические выключатели с сверхдлительным сроком службы, которые должен составить до 40 и более лет работы в непрерывном режиме и кроме того они должны характеризоваться высокой диэлектрической прочностью. Решение проблемы устойчивости к частичным разрядам является стратегически важными для всей энергетической отрасли, поскольку силовые модули с напряжениями классом до 6.5 кВ стали устанавливаться как элементы приводов в области индустриального технологического оборудования и сфере индустрии железнодорожного транспорта.

 

Литература:

1. ДСТУ EN 60270:2016 «Методи високовольтних випробувань. Вимірювання часткових розрядів (EN 60270:2001, IDT)».

2. Пол Ли (Paul Lee), перевод: Владимир Рентюк Результаты тестирования изоляции DC/DC-преобразователей питания драйверов затвора на ее устойчивость к частичным разрядам // Компоненты и технологии. – 2016. – №8.

3. ДСТУ EN 60730-1:2015 «Пристрої автоматичні електричні керувальні побутової та аналогічної призначеності. Частина 1. Загальні вимоги (EN 60730-1:2000/A14:2005, IDT)».

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus