IGBT-Module werden häufig in einer Reihe von Hochleistungsstromversorgungen und Motorantrieben mit hoher Leistung eingesetzt. Ihre hohe Leistung erhöht die Betriebsspannung, weshalb Betriebsspannungen im Bereich von 1.000 V keine Seltenheit sind. Aufgrund der zeitlichen Trennung der einzelnen IGBTs wird die Betriebsvorspannung zwischen Gate und Emitter durch einen unabhängigen Isolationstransformator bereitgestellt. Wenn dieser Transformator in Betrieb ist, wird zwischen der Primär- und der Sekundärseite eine PWM-Schaltung mit hohen Frequenzen und Spannungen durchgeführt (siehe Abbildung 1). Viele Anwender und Hersteller haben keine ausreichenden Kenntnisse über den Unterschied zwischen der Durchschlagsspannung des Drahtes selbst und der Teilentladungs-Einsetzspannung (PDIV) zwischen den Drähten. Deshalb fehlen bei gewöhnlichen Transformatoren oft die korrekte Isolierung, die korrekte Auslegung der Isolierung und die Produktionsprüfung. Im Gegenzug wird der IGBT beschädigt oder es werden alle möglichen anormalen Vorgänge im digitalen Bereich durch Hochspannungsentladungen ausgelöst.

▲Abbildung 1 – Steuerschaltplan für Motorantrieb

Wenn die Spannungsdifferenz zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Transformators eine Rechteckspannung mit einer Spitzenspannung von 1.000 V ist, sind die nicht zertifizierten Qualitätsanforderungen im Allgemeinen für eine Spannung von > 2.000 V ausgelegt. Wenn dann ein Draht mit einer Durchschlagspannung von mehr als 3.000 V auf beide Seiten des Drahtes gewickelt wird, kann er, selbst wenn er aneinander anliegt, 6.000 V standhalten, richtig?

atsächlich kann er 6.000 V eine Minute lang standhalten, aber nach einer gewissen Zeit der tatsächlichen Arbeit (1.000 V Rechteckwelle) kann er trotzdem versagen. Der Grund liegt darin, dass die Dielektrizitätskonstante einer normalen Isolierung viel höher ist als die von Luft, was zu einem höheren Anteil des Partialdrucks in der Luft unter Wechselstrombedingungen führt. Der Partialdruck der Luft zwischen den Leitungen erreicht >350V_peak (1 atm Gas-Kurzstreckenentladungs-Einsetzspannung), wodurch die Teilentladung (PD) fortgesetzt wird und es zu einer allmählichen Verkohlung bis hin zum Kurzschluss kommt (siehe Abbildung 2). Selbst bevor der Transformator zerstört wird, ist es wahrscheinlich, dass der PD-Anstieg anormale Interferenzen in der digitalen Schaltung verursacht, die letztendlich zu Fehlfunktionen führen.

▲Abbildung 2 – Kontinuierliche Koronaentladung, die zu einem Kurzschluss der Transformatorspule zwischen Primär- und Sekundärseite führt

Abbildung 3 zeigt ein Beispiel einer durch einen Hochleistungs-IGBT-Steuertransformator verursachten Fehlfunktion. Der anormale Transformator emittiert eindeutig Licht aufgrund der Koronaentladung während des Betriebs, obwohl der Transformator weder bei der allgemeinen Teileprüfung noch bei der Prüfung des Endprodukts der Stromversorgung als nicht ordnungsgemäß beurteilt wurde. Im realen Betrieb führen Fehlfunktionen oder Anomalien des IGBT-Moduls oder des digitalen Systems jedoch häufig zu Qualitätsproblemen, die nicht leicht zu erkennen sind und sogar den Austausch oder die bauliche Optimierung des Transformators erfordern.

▲Abbildung 3 –Kontinuierliche Koronaentladungsstörung in einem Hochleistungs-IGBT-Steuertransformator

Normalerweise werden in der Transformatorenindustrie nur die Spannungsfestigkeitsprüfungen gemäß den Spezifikationen durchgeführt, nicht aber die Prüfung auf PD oder Überschlag. Infolgedessen treten solche Probleme häufig bei elektrischen und elektronischen Produkten auf, die in verschiedenen Stromversorgungen verwendet werden. Zur Vermeidung von PD- oder Überschlagsproblemen muss sichergestellt werden, dass unter den Betriebsbedingungen keine kontinuierliche PD auftritt. Entsprechende Normen (z. B. IEC60747-5-5) schlagen im Allgemeinen vor, dass das 1,875-fache des höchstmöglichen Nutzungspotenzials im Betrieb (für einige Sekunden) ohne PD (z. B. PD < 15 pC) getestet werden sollte, um die langfristige Produktqualität sicherzustellen. Nehmen wir als Beispiel einen Höchstwert von 1.000 V, etwa 1,325 kVrms bei 60 Hz (1,875 kV_peak), PD < 15 pC kann ein geeigneter Nachweis sein. (Bitte beachten Sie, dass die gemessene Teilentladungs-Einsetzspannung des Transformators in diesem Anwendungsbeispiel nur etwa 400 Vac beträgt, was weit unter der erwarteten Qualitätskapazität liegt).

Die Serie Chroma 19501 bietet eine Wechselspannungsfestigkeitsprüfung (10 kVac) und eine Teilentladungsprüfung (1 pC ~ 2.000 pC). Diese Prüfgeräte sind die beste Lösung für die Erkennung von PD-Anomalien bei Hochspannungsprodukten und gewährleisten die dauerhafte Qualität und Zuverlässigkeit Ihrer Produkte.

▲Abbildung 4 – Chroma-19501-K-Teilentladungs-Prüfgerät

Zusätzlich kann der programmierbare HF-AC-Tester Chroma 11890 (5 kVrms / 100 mA / 10 kHz bis 200 kHz) für anormale Beschleunigungstests verwendet werden (die PD-Abbaugeschwindigkeit ist annähernd proportional zur Frequenz), um fehlerhafte Bereiche und Konstruktionsverbesserungen zu überprüfen.

Bitte besuchen Sie die Chroma-Website, um mehr über die Funktionen und Spezifikationen des Chroma 19501 Teilentladungs-Prüfgeräts oder des programmierbaren HF-AC-Testers Chroma 11890 zu erfahren: