寬頻高壓脈沖參數對聚酰亞胺薄膜局部放電特性的影響

劉暢，卞偉杰，張興，顧亞楠，吳淑群，張潮海

(南京航空航天大學自動化學院，江蘇 南京 211106)

0 引言

隨著柔性直流輸電工程的發展，絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)已應用于高壓換流閥[1]。現有IGBT電壓等級已提高到了6.5 kV以上[2—3]，其絕緣性能是關系到換流閥能否正常安全運行的重要因素[4]。不同于常規的交/直流電應力，IGBT器件承受高電壓脈沖電應力作用，其絕緣狀態檢測和老化評估與高壓脈沖參數息息相關。其中，局部放電特性對絕緣狀態檢測與老化評估至關重要。因此，研究脈沖電應力作用下IGBT絕緣材料的局部放電特性尤為重要。

脈沖電壓幅值、頻率、上升沿、占空比是影響局部放電特性的關鍵因素。文獻[5]指出在實驗溫度28 ℃，頻率1 kHz的脈沖電壓下，聚酰亞胺薄膜在0.7～2 kV脈沖電壓幅值變化范圍內平均放電量和單個周期內的放電次數隨著電壓的增大而增加。文獻[6]指出在電壓峰峰值3 kV，實驗溫度160 ℃條件下，電機絞線在脈沖頻率1～15 kHz范圍內，隨著頻率增大，電應力會造成局部放電平均放電量增大；文獻[7]在電壓峰峰值3 kV，實驗溫度25 ℃條件下，對聚酰胺酰亞胺絞線進行實驗，發現在脈沖頻率0.5～10 kHz范圍內，隨著頻率升高局部放電幅值顯著減小而局部放電相位增加。文獻[8]在脈沖頻率1 kHz，電壓峰峰值3 kV，上升沿10～100 ns的實驗條件下，發現隨著上升沿時間增加，雙絞線局部放電幅值減小，相位增大；文獻[9—10]指出在脈沖頻率50 Hz，電壓3 kV，實驗溫度100 ℃的條件下，在上升沿20 ns～1 μs的范圍內，隨上升沿時間的縮短，雙絞線放電幅值增大，單個周期放電總量減少。文獻[11—12]指出在脈沖頻率50 Hz，實驗溫度25 ℃，聚酰亞胺漆包線在脈沖持續時間8～100 μs條件下，上升沿放電相位隨占空比增加而減小，下降沿放電相位隨占空比增加而增大；文獻[13]指出在脈沖頻率10 kHz，實驗溫度25 ℃的條件下，漆包線在占空比5%～50%的范圍內，上升沿附近的局部放電幅值隨占空比增加而減小且分散性逐漸減小，下降沿附近的放電幅值隨電壓占空比增加而增大且分散性逐漸增大。

綜上所述，脈沖參數對絕緣材料的局部放電特性影響研究已較為成熟，但仍存在以下不足：(1)現有研究的脈沖頻率局限在50 Hz～15 kHz范圍內，無法反映脈沖頻率為20 kHz及以上時的局部放電特性；(2)上升沿對局部放電特性的研究主要集中在脈沖頻率1 kHz以下，無法反映1 kHz以上的頻率條件對局部放電的影響；(3)占空比對局部放電特性的影響的研究對象集中于電機匝間漆包線，未展開針對其他材料的研究。

因此，文中選取IGBT器件中聚酰亞胺薄膜為研究對象，研究了寬脈沖參數范圍下電壓幅值、頻率、上升沿、脈寬對聚酰亞胺薄膜局部放電特性的影響。

1 局部放電實驗平臺

局部放電實驗平臺示意如圖1所示，該平臺包含納秒脈沖電源系統、球板電極放電裝置、固體絕緣材料(100 μm厚的聚酰亞胺薄膜)、局部放電傳感系統，以及溫濕度控制系統。利用具有干燥、控溫功能的空調控制環境溫度和濕度，將電極附近(0.5 m)的環境溫度和濕度分別始終保持為(23±2)℃和(50±5)%。

圖1 局部放電實驗平臺Fig.1 Partial discharge experimental platform

高頻脈沖電源與球板電極裝置之間接入了2個并聯的5 kΩ電阻，電極的另一端直接接地。利用高壓探頭測試放電裝置兩端的電壓，高頻脈沖電流傳感器測量由電極流入大地的電流，并將電壓與電流信號傳入示波器，再通過示波器的USB端口將數據傳至PC系統。結合PC計算機系統的LabVIEW局放統計程序，可以獲得局部放電統計圖譜。

利用高壓探頭Tektronix P6015A測量球板電極兩端電壓。利用電流探頭Pearson 2877測量接地側的電流，其帶寬為200 MHz，響應時間為2 ns，能夠對局部放電信號進行精確測量。所采集的電壓、電流信號由TektronixMDO3034示波器進行記錄。采用的高頻高壓脈沖電源輸出參數范圍為：電壓0～15 kV，頻率1 Hz～100 kHz，上升沿50～500 ns，脈寬500 ns～1 ms，有利于研究大參數范圍內的脈沖電應力對局部放電特性的影響。

選取0.1 mm的Kapton聚酰亞胺薄膜為絕緣材料。根據GB/T 22689—2008，提前一天取出厚0.1 mm、寬80 mm的聚酰亞胺薄膜卷，裁出長80 mm的聚酰亞胺薄膜試樣，用在96%乙醇浸泡5 min并自然晾干的軟毛刷清潔試樣表面，將空調開至25 ℃除濕模式，使試樣保持在溫度為(23±2)℃，相對濕度為(50±5)%的標準環境大氣中處理至少24 h。

為了模擬IGBT器件封裝中金屬鍍膜表面凸點(缺陷)與絕緣材料之間構成的稍不均勻電場，文中設計了不均勻系數[14]為1.7的球板放電裝置?；贑OMSOL有限元仿真軟件，搭建了放電裝置的電場仿真二維模型，模擬了固體介質為100 μm厚聚酰亞胺薄膜的球板電極放電裝置的靜電場空間分布，如圖2所示，最大電場強度達到5.1×107V/m。

圖2 電場的仿真結果及實際放電現象Fig.2 Simulation results of electric field and actual discharge phenomena

仿真發現，電場最強的位置位于電極與聚酰亞胺薄膜之間的空氣間隙中，而不是球電極的頂端。實驗過程中紫色光圈放電出現在靠近球電極頂端附近的空氣間隙中，與仿真結果中最大電場強度位置相同，并伴隨放電聲。

2 局部放電信號測量

在實際局部放電測量過程中，即使未發生局部放電，電流探頭也能測到峰值高達數百毫安的位移電流，遠大于局部放電引起的放電電流。另外，位移電流主要集中在電壓脈沖的上升沿和下降沿處，與局部放電引起的放電電流位置重疊。因此，為了能夠獲得真實的局部放電信號，必須去除位移電流的影響。

實驗裝置可進行RLC電路等效，其示意見圖3。其中，R為保護電阻；L為線路電感；C為電極間的等效電容；R′為電極間的等效電阻(遠遠大于保護電阻)；US為電源電壓。

圖3 實驗平臺等效RLC電路Fig.3 Equivalent RLC circuit of experimental platform

從電路的時域分析角度計算，當US為階躍函數時，流經負載電極裝置的電流[15]為：

(1)

式中：p1，p2為特征根，其數值由電路自身RLC參數決定。由式(1)可見，同一時刻的位移電流與施加的電壓幅值呈線性關系，并且進行了實驗驗證。因此，通過測量未發生局部放電情況下的位移電流，再乘以比例系數k，即可獲得發生局部放電時的位移電流。然后，在總電流波形中減去位移電流，獲得真實局部放電引起的放電電流。

如圖4所示，放電電流與位移電流都為脈沖波形，都主要集中在電壓脈沖的上升沿和下降沿，兩者發生了重疊。另外，放電電流的幅值約為0.2 A，遠小于位移電流幅值。值得注意的是，以電壓脈沖上升沿為相對時間起點，位移電流波形峰值比放電電流波形峰值出現更早，大約為71.2 ns。該發現可為去除位移電流波形影響提供新的解決方案。

圖4 干擾電流和全電流及放電電流波形Fig.4 Interference current,full current and discharge current waveform

另外，通過電流波形的傅里葉分析，發現位移電流的頻譜主要集中在13.5 MHz，20.5 MHz，28 MHz，而放電電流的頻譜主要集中在13.5 MHz，20.5 MHz，28 MHz，33 MHz，49 MHz，62 MHz，兩者有相互重疊部分，因此難以使用超高頻傳感方法直接測量脈沖電應力下的局部放電信號。

為盡量減少納秒脈沖電源引起的空間電磁輻射和傳導干擾，采取下述措施：(1)將采集系統的地與高壓脈沖電源的地分開，避免共地帶來的脈沖傳導干擾；(2)在電流信號傳感部分，采用帶屏蔽金屬網的射頻線纜傳輸信號，并在末端進行了50 Ω阻抗匹配，減少了空間電磁輻射耦合進入線纜和電磁波來回反射；(3)為進一步減弱空間電磁輻射對采集系統的干擾，將采集系統放置在金屬屏蔽箱內，理論上能夠對0.1～1 GHz電磁信號實現30 dB衰減。

3 高電壓脈沖參數對聚酰亞胺薄膜局放特性的影響分析

采用局部放電統計譜圖法，研究電壓幅值、脈沖重復頻率、脈寬及上升沿對局部放電特性的影響。在統計譜圖繪制過程中，每個電壓脈沖內固定為2次放電(上升沿和下降沿處各1次)，只考慮放電電流峰值大小及出現的延時。其中，延時為相對電壓脈沖上升沿信號觸發的電流峰值出現時間。相對幅值是放電電流幅值除以采集的多個脈沖周期內最大放電電流幅值。

3.1 電壓幅值對聚酰亞胺薄膜局放特性的影響

固定脈沖頻率為3 kHz，脈寬為1 μs，上升沿和下降沿時間都為136 ns，采集聚酰亞胺薄膜在不同電壓幅值下500個周期內的放電時延及放電電流幅值。以數百個周期內的放電電流幅值的平均值和放電時延平均值為數據點，對6組不同電壓幅值下的上升沿放電幅值以及放電時延進行統計分析，得到局部放電統計特性與電壓幅值的關系，即圖5?？梢?，隨著薄膜兩端電壓幅值的增大，上升沿局部放電幅值由0.38 A逐漸增大至0.95 A。當電壓幅值由3.12 kV上升至4.4 kV時，上升沿放電時延明顯減小；當電壓幅值繼續升高時，上升沿時延變化不明顯。

圖5 不同電壓幅值下的放電幅值與放電時延Fig.5 Discharge amplitude and discharge delay at different voltage amplitudes

3.2 脈沖頻率對聚酰亞胺薄膜局放特性的影響

固定電壓幅值3 kV，脈寬為500 ns，上升沿和下降沿時間都為136 ns，采集聚酰亞胺薄膜在不同脈沖頻率(1 kHz,20 kHz,100 kHz)下500個周期內的放電時延及放電電流幅值。

如圖6所示，上升沿處放電電流相對幅值主要分布在0.5～1.0范圍內，受脈沖頻率的影響較小，下降沿處放電電流幅值比上升沿處放電電流幅值相對更小。頻率1 kHz下上升沿處放電電流峰值出現的時間位置主要集中在50～70 ns；20 kHz頻率下上升沿處放電電流峰值出現的時間位置主要集中在75～100 ns；100 kHz下上升沿處放電電流峰值出現的時間位置主要集中在110～200 ns。因此，隨著脈沖頻率的增大，上升沿處局部放電引起的放電電流幅值分布更加分散，放電時延增大。

圖6 不同電壓頻率下局部放電散點圖Fig.6 Scatter plots of partial discharges at different voltage frequency

以數百個周期內的放電電流幅值的平均值和放電時延平均值為數據點，對5組不同脈沖頻率下的上升沿放電幅值及放電時延進行統計分析，得到局部放電統計特性與電壓幅值的關系曲線，即圖7。隨著脈沖頻率的增大，上升沿的放電時延由60 ns逐漸增大至140 ns，放電時延明顯增大；脈沖頻率對放電幅值影響微弱，局部放電電流幅值基本穩定在0.2 A。

圖7 不同電壓頻率下的放電幅值與放電時延Fig.7 Discharge amplitude and discharge delay at different voltage frequency

3.3 上升沿時間對聚酰亞胺薄膜局放特性的影響

為了研究脈沖上升沿變化對局部放電特性的影響，將電壓幅值、下降沿及頻率等參數保持不變，結果見圖8。由圖8可知，脈沖電壓上升沿時間從136 ns增長至300 ns，其余參數保持不變。

圖8 脈沖電源在不同上升沿下的空載輸出Fig.8 No-load output of pulse power under different rising edges

固定脈沖電壓3 kV，脈沖頻率3 kHz，脈寬為1 μs，下降沿時間為50 ns。由于電極裝置為容性負載，電極兩端的電壓上升時間受電容影響，與電源空載輸出的脈沖上升沿不一致。文中分析討論的數據為電極兩端實際承受的脈沖電壓上升沿。在不同上升沿時間(230 ns,330 ns,400 ns)下，采集聚酰亞胺薄膜在500個周期內的放電時延及放電電流幅值，結果見圖9。

圖9 不同上升沿時間下局部放電散點圖Fig.9 Scatter plots of partial discharges at different rising edge time

如圖所示，放電電流相對幅值基本分布在0.8～1.0范圍內，受上升沿時間影響較小。當上升沿時間為230 ns時，上升沿處放電電流峰值出現的時間位置主要集中在放電時延為25～50 ns；當上升沿時間為330 ns時，上升沿處放電電流峰值出現的時間位置主要集中在放電時延為100～130 ns；當上升沿時間為400 ns時，上升沿處放電電流峰值出現的時間位置主要集中在放電時延為140～190 ns。因此，隨著上升沿時間增大，放電時延明顯增大，放電次數分布更分散。

以數百個周期內的放電電流幅值的平均值和放電時延平均值為數據點，對8組不同上升沿時間下的上升沿放電幅值以及放電時延進行統計分析，得到局部放電統計特性與電壓幅值的關系曲線，即圖10?？梢姡S著上升沿時間的增大，放電電流由0.44 A逐漸降低到0.09 A，平均放電時延由0.04 μs逐漸升高到0.34 μs。因此，隨著上升沿的增大，放電幅值逐漸減小且分布越來越緊密，放電時延逐漸增大且分布越來越分散。

圖10 不同上升沿下的放電幅值與放電時延Fig.10 Discharge amplitude and discharge delay under different rise time

3.4 上升沿時間對聚酰亞胺薄膜局放特性的影響

文中對比研究脈寬為500 ns和1 μs的局部放電特性，并分析不同脈寬下頻率對局部放電特性的影響。固定脈沖電壓幅值3 kV，上升沿和下降沿時間為136 ns，在不同電壓頻率(1 kHz,10 kHz,20 kHz,50 kHz,100 kHz)下，采集聚酰亞胺薄膜在500個周期內的放電數據，共10組數據。選取500 ns及1 μs脈寬下局部放電量的平均值及標準差作為數據點進行統計分析并繪制曲線，如圖11所示。

圖11 不同脈寬下的放電幅值與放電時延Fig.11 Discharge amplitude and discharge delay under different pulse widths

脈沖頻率為20 kHz時，脈寬500 ns下的放電電流幅值約0.23 A，放電時延為84 ns，脈寬1 μs下的放電電流幅值約0.14 A，放電時延為89.5 ns；脈沖頻率為50 kHz時，脈寬500 ns下的放電電流幅值約0.17 A，放電時延為125 ns，脈寬1 μs下的放電電流幅值約0.08 A，放電時延為126 ns；當脈沖頻率為100 kHz時，脈寬500 ns下的放電電流幅值約0.22 A，放電時延為146 ns，脈寬1 μs下的放電電流幅值約0.17 A，放電時延為160.9 ns。因此，在不同脈沖頻率下，脈寬500 ns下的放電時延比1 μs下的放電時延快約20 ns；當脈沖頻率在10～100 kHz時，脈寬越大，局部放電幅值越小，局部放電時延越大。

4 局放特性影響因素分析

文中研究了電壓幅值、脈沖重復頻率、上升沿時間和占空比對聚酰亞胺薄膜局部放電特性的影響規律。發現放電時延隨著脈沖頻率增加而增大，與文獻[6—7]相似。然而，研究發現局部放電信號幅值隨著脈沖頻率的增大而保持基本不變，與文獻[6—7]結果顯著不同。這可能與研究的頻率范圍和電極結構不同有關。文中將脈沖重復頻率拓展至100 kHz，遠大于文獻[6—7]研究的頻率范圍。另外，文中采用了球板電極，而不是雙絞線結構。這兩者都會導致空間電荷運動和熱量擴散不同，使得局部放電信號幅值存在一些差異。

研究發現隨著上升沿增大，放電幅值逐漸減小且放電時延逐漸增大，與文獻[8]研究結果相似。此外，關于占空比對局部放電特性影響，研究發現：在脈沖重復頻率為10～100 kHz范圍內，上升沿處局部放電信號幅值隨脈寬增大而減小，與文獻[13]的研究結果相似；然而，上升沿處局部放電時延隨著脈寬增大而增大，與文獻[11—12]在50 Hz下的研究結果相反。因此，下文從局部放電機理分析脈沖重復頻率、上升沿時間及脈寬的影響。

4.1 脈沖重復頻率對局放特性的影響

通常來講，脈沖頻率升高導致局部放電處的溫度升高，致使擊穿電壓更低，局部放電更容易發生。然而，由于文中脈寬短至500 ns，局部放電發生次數少，總體溫度并未大幅上升。采用紅外測溫儀發現脈沖重復頻率為100 kHz時局部放電位置處薄膜溫度稍微高于環境溫度。因此，頻率導致的溫升效應不顯著。此外，當脈沖重復頻率增大時，2次放電的時間間隔縮短，電荷復合過程時間減少，導致更多的空間電荷殘留下來[16—17]，容易阻礙電子崩的發展和初始電子的產生，使得表面可脫陷的電子減少，放電延遲時間增大。

4.2 上升沿時間對局放特性的影響

當脈沖電壓上升沿時間減小時，意味著電壓變化速度較快，絕緣材料承受的電壓能夠迅速超過起始放電電壓，但是由于并未產生激發電子崩的初始電子，在等待初始電子產生的時間中過電壓增大。在過電壓作用下，空間電場增強，電子崩發展過程的延時會顯著縮短，導致放電時延減小和局部放電信號幅值增大，與文獻[9—10]結果類似。

4.3 脈寬對局放特性的影響

圖12為稍不均勻場下的電荷分布。當脈寬增大時，會同時加速空間正負離子復合、薄膜表面電荷積累、電荷自身徑向極型擴散這3個過程，而這3個過程互相之間是呈競爭關系。其中，電荷擴散速度為毫秒至秒量級，而空間正負離子的復合為微秒至毫秒量級。當脈寬增大時，增加了電荷擴散的可能性，相對而言電荷復合的影響會減弱，因此在下次放電時薄膜表面積累的正電荷數量會增多，削弱了空間電場，使得脈寬增大時放電幅值減小。同時，空間電場減小后，放電時延更大。

圖12 稍不均勻場下的電荷分布Fig.12 Charge distribution in a slightly uneven field

5 結語

為探索脈沖電應力作用下高壓IGBT器件絕緣材料的局部放電特性，建立適用于高頻高壓脈沖作用下局部放電測量的平臺，文中研究了脈沖電壓幅值、上升沿、脈寬及頻率對聚酰亞胺薄膜局部放電特性的影響，獲得如下結論：(1)隨著電壓幅值增大，上升沿處局部放電信號幅值增大，放電時延減小，下降沿處放電時延基本不變；(2)隨著脈沖重復頻率增大，上升沿處放電時延增大，局部放電引起的放電電流幅值分布更加分散；(3)隨著上升沿時間增大，放電時延增大且更加分散，局部放電信號幅值減小且更加緊密；(4)相比于脈寬為1 μs的情況，脈寬為500 ns時局部放電信號幅值更大，放電時延更小。上述研究不僅可為高壓大功率IGBT器件的局部放電檢測和絕緣老化狀態評估提供重要科學依據，而且有利于指導更高頻、開斷速度更快的新型半導體開關器件的絕緣優化設計，對新一代柔性直流輸電工程的換流閥絕緣設計與狀態檢測具有參考意義。

本文得到中央高校基本科研業務費(NT2020007)，臺達電力電子科教發展計劃青年項目(DREG2017008)資助，謹此致謝！