Высоковольтные испытания силовых модулей

Высоковольтные (типовые) испытания конструкции

Испытания данного вида проводят для оценки соответствия изоляционных свойств конструкции изделия заданным требованиям. Высоковольтные тесты позволяют убедиться в том, что зазоры и изоляционные материалы имеют адекватную диэлектрическую прочность и способны выдерживать ожидаемые уровни перенапряжений [3]. Они также гарантируют, что оборудование может надежно работать в заданных условиях на протяжении всего ресурсного периода. В ходе испытаний, которые должны подтвердить надежность изоляции в течение срока службы, электрический стресс моделируется на очень коротком промежутке времени. При этом предполагается, что механизм разрушения изоляционных свойств в реальной эксплуатации является таким же, как и при тестировании. С помощью эмпирического уравнения, известного из теории надежности, рабочее напряжение и ресурс трансформируются в условия проведения испытаний [4, 5]:

Это эмпирическое выражение использовано в некоторых стандартах для определения условий проведения высоковольтного теста с показателем n = 6. Обычно испытательное напряжение задают с учетом предполагаемого срока службы 20 лет. Поэтому оборудование, рассчитанное на стандартное рабочее напряжение 220–230 В, должно проходить высоковольтные испытания при напряжении 3400 В в течение одной минуты.

Подобные тесты имитируют полный процесс старения изоляции, поэтому изделие нельзя потом использовать. Образцы, подвергаемые высоковольтным испытаниям, должны быть утилизированы или, по крайней мере, их не применяют, если от этого зависит безопасность пользователей.

Контрольные (приемо-сдаточные) высоковольтные испытания

Очевидно, что условия проведения ускоренных высоковольтных испытаний, разрушающих изоляцию, не подходят для тестирования производимой аппаратуры. Задачей контрольных тестов не является оценка устойчивости изоляции оборудования к предполагаемым электрическим перегрузкам. Их цель — проверка того, что конструктивные зазоры и изоляционные материалы не деградируют и не повреждаются в процессе производства или в результате использования разных комплектующих. Чтобы убедиться в том, что производственные дефекты, влияющие на качество изоляции, исключены, высоковольтные приемо-сдаточные испытания проводят после завершения производства комплектующих и окончательной сборки изделия. Данные тесты также не используют для проверки изоляции и путей токов утечки (зазоров) комплектующих [6].

Условия проведения контрольных испытаний должны быть достаточно жесткими, чтобы можно было выявлять слабые места конструкции, приводящие к отказу, но они не должны оказывать заметное влияние на процесс старения устройства. Расчеты показывают, что в ходе их проведения срок службы сокращается менее чем на 0,000001% при условии, что приведенное выше эмпирическое уравнение справедливо.

Если по каким-либо причинам необходимо повторить стандартный высоковольтный тест, то при выборе испытательного напряжения следует учитывать его влияние на качество изоляции. Некоторые стандарты рекомендуют снижение V_isol до 80% [3] или до 85% [6, 7] от первоначального значения. Использование испытательного напряжения, указанного в спецификации компонентов, следует исключить, так же как и проведение высоковольтного теста при входном контроле.

Типовая длительность стандартного высоковольтного теста составляет 1 или 5 с, в редких случаях она достигает 60 с. Для полупроводниковых приборов стандарт UL1557 предусматривает возможность сокращения продолжительности испытаний при увеличении тестового напряжения. Номинальное значение V_isol, соответствующее длительности 60 с, увеличивается до 120% при сокращении времени воздействия до 1 с [8]. Условия проведения высоковольтных испытаний для компонентов SEMIKRON указаны в технической спецификации (см. параметр V_isol), продолжительность 5 или 60 с задают при проведении типовых испытаний, а меньшая длительность (1 и 3 с) соответствует стандартным условиям тестов.

Тестовое оборудование

Существуют различные виды оборудования для проведения высоковольтных испытаний, различающиеся следующими параметрами:

• максимальным испытательным напряжением;
• максимально допустимым током;
• возможностью выбора АС- или DC-напря­жения.

Почти все доступные типы приборов, удовлетворяющих требованиям соответствующих стандартов, приведены в EN 61180 [9]. Кроме соответствия качества испытательного напряжения, рекомендуется, чтобы величина выходного тока короткого замыкания была не менее 200 мА [10]. Для соответствия требованиям стандартов UL достаточно использовать трансформатор мощностью более 500 ВА [8].

Условия проведения испытаний

Обычно высоковольтные тесты проводят при воздействии синусоидального сигнала частотой 50 или 60 Гц. Если схема содержит конденсаторы, при испытаниях используется DC-напряжение, равное пиковому значению тестового АС-сигнала. Эти проверки не являются полностью эквивалентными, поскольку их воздействие на структуру твердых изоляционных материалов отличается [10]. В частности, полярность испытательного сигнала оказывает влияние на состояние пробоя, поэтому DC-тест надо проводить при обеих полярностях [4].

Полупроводниковые модули с большой базовой платой могут иметь относительно большую емкость (до 10 нФ) между сторонами изолирующей подложки. Для них рекомендуется проведение высоковольтного DC-теста. Такой же вид испытаний следует применять для оценки производственного оборудования, поскольку постоянный ток менее опасен для человеческого сердца в случае аварии. Не требуется принятия дополнительных мер безопасности при проведении высоковольтных тестов с током не более 3 мА (АС) и 12 мА (DC) [11].

Следовательно, дополнительное преимущество высоковольтных DC-испытаний заключается в том, что не требуются дополнительные меры защиты при токе менее 12 мА. При превышении этого значения во многих странах испытания необходимо проводить в специальном помещении или закрытом пространстве со световым индикатором и оборудованием, управляемым двумя руками. Ряд стандартов определяет условия окружающей среды для высоковольтных испытаний: типовые значения температуры воздуха 15…35 °С, относительная влажность 45–75%, давление 860–1060 гПа (1 гПа = 0,01 Н/м²).

Виды изоляции

Тестируемые образцы могут содержать несколько гальванически изолированных друг от друга схем. Изоляция внутри них и между ними относится к различным категориям требований безопасности:

• Функциональная изоляция разделяет потенциалы в пределах одной цепи и учитывает только функциональные аспекты, не относящиеся к вопросам безопасности [12].
• Базовая изоляция разделяет схемы, получающие питание от сети, от заземленных открытых цепей, а значит, она жизненно важна для обеспечения безопасности. Благодаря заземлению открытых частей изделия пробой изоляции не влечет за собой непосредственной угрозы жизни [12].
• Защитная изоляция реализуется путем использования усиленного или двойного (в два раза больше базового) изолирующего барьера, который отделяет цепи, питающиеся от сети, от незаземленных открытых деталей и контрольных цепей, если они напрямую подключены к другим схемам управления, имеющим открытые части. Дополнительная защита для пользователей оборудования не требуется. Пробой изоляции такого типа может оказаться фатальным, поскольку незаземленные открытые части могут оказаться под сетевым напряжением, поэтому в данном случае следует соблюдать более жесткие требования безопасности [12].

Высокое испытательное напряжение прикладывается только к базовой и защитной изоляции. Функциональная изоляция, не являющаяся фактором безопасности, не подвергается данному виду испытаний.

Проведение испытаний

В большинстве стандартов, относящихся к электрическому оборудованию, указаны следующие условия испытания:

• внешние выводы устройства должны быть соединены между собой;
• распределительные устройства и схемы контроля оборудования должны быть отключены или изолированы;
• терминалы компонентов, подключенных к высоковольтным цепям (например, выпрямительные диоды), должны быть соединены между собой.

Соединение внешних выводов устройства при проведении высоковольтных тестов является принципиально важным требованием. В частности, это правило относится к AC- и DC-терминалам преобразователя частоты, типовая схема которого показана на рис. 1.

Рис. 1. Подключение выводов конвертера при проведении высоковольтного теста

Если испытуемый образец состоит из нескольких цепей, изолированных друг от друга базовой или защитной изоляцией, необходимо проверить их внешние подключения. Сюда относятся соединения с внешними устройствами, а также цепи заземления. Незаземленные проводящие элементы, к которым возможен доступ, являются внешними устройствами по определению. Схемы с одинаковым испытательным напряжением могут быть соединены и протестированы совместно, однако следует учесть, что некоторые образцы проходят несколько высоковольтных испытаний. Схемы подключения могут различаться при проведении типовых и стандартных тестов, если при этом используются различные испытательные напряжения.

Силовая схема через выпрямитель соединена с питающей сетью. При этом она имеет базовую изоляцию относительно земли. Элементы, выделенные на рис. 2 зеленым цветом, относятся к блоку управления приводом, отделенному от силовой цепи защитной изоляцией. Напряжение между схемой управления и землей — менее 50 В. Таким образом, контроллер и цепь заземления в ходе высоковольтных испытаний могут быть соединены друг с другом, если испытательное напряжение и длительность проверки базовой и защитной изоляции совпадают. Если они различаются, то эти цепи должны быть испытаны по отдельности.

Рис. 2. Подключение внешних устройств конвертера для минимизации количества высоковольтных тестов

Датчик температуры силовых модулей, как правило, имеет только функциональную изоляцию, если иное не указано в технической документации. Это означает, что в процессе высоковольтных испытаний он должен быть подключен к силовой цепи. Если же датчик соединен с контроллером привода и в таком виде проходит высоковольтные испытания, то нельзя сделать вывод о том, что изоляция между датчиком и силовой цепью удовлетворяет требованиям защитного разделения.

Если условие, касающееся соединения всех терминалов между собой, не выполнено, то при пробое изоляции в ходе испытаний полупроводниковые приборы могут быть повреждены. Уровень тестового напряжения, как правило, превышает блокирующую способность полупроводников, поэтому при пробое изоляции в любом месте DC-шины высоковольтный сигнал оказывается подключенным к АС-терминалам. В нашем примере (рис. 3) все испытательное напряжение прикладывается к диоду, что неизбежно приведет к его отказу.

Рис. 3. Перенапряжение на полупроводниковых приборах при повреждении изоляции в ходе проведения высоковольтного теста

Используемые в устройстве ограничители перенапряжения (например, варисторы) при проведении высоковольтных тестов должны быть отключены. Если конденсаторы с высокой емкостью имеют соединение с частями, на которые подается испытательное напряжение, может быть трудно или даже невозможно провести АС-тест, поскольку ток заряда будет превышать ток уставки измерительного оборудования. В этом случае конденсаторы следует отключить перед началом испытаний. Если это невозможно, то следует использовать испытательное напряжение постоянного тока [10].

В таблице 1 приведены требования, относящиеся к высоковольтным испытаниям и упомянутые в основных стандартах силовой электроники:

• приводы [3, 23];
• источники бесперебойного питания (UPS) [13];
• фотоэлектрические преобразователи [14];
• силовые установки [7, 10, 15, 16, 22];
• железнодорожный транспорт [6, 17];
• информационные технологии [18];
• силовые полупроводники [8, 20].

Примечания:
* — равно пиковому значению V_АС;
** — равно 1,414×V_АС

Данные, приведенные в таблице 1, относятся к базовой изоляции при напряжении до 1000 В.

Уровни испытательного напряжения

Уровень высоковольтного испытательного сигнала определяется рабочим напряжением оборудования, при этом следует учитывать тип сетевого заземления. В сети с заземлением «звездой» (TN) стресс для изоляции оказывается меньше (например, 230 В в 3-фазной системе с линейным напряжением 400 В), чем при «угловом» заземлении такой же сети (400 В).

В таблице 2 показаны уровни АС-напря­жения для испытаний базовой изоляции оборудования, подключенного к сети с заземлением «звездой», взятые из основных стандартов силовой электроники. Также там приведены уровни тестового сигнала для типовых (тест 1) и контрольных (тест 2) испытаний при стандартных сетевых напряжениях.

Разброс уровней испытательного напряжения между стандартами достаточно широк (более чем в 3 раза). Производители полупроводниковых модулей, как правило, определяют напряжение изоляции таким образом, чтобы оно соответствовало требованиям всех соответствующих стандартов. В результате оно может оказаться гораздо выше, чем нужно для большинства приложений. Уровни напряжения для проверки изоляции, обеспечивающей безопасность, могут существенно отличаться от указанных значений (табл. 3). Для типовых испытаний они всегда выше, чем для контрольных (приемо-сдаточных).

Полупроводниковые модули не имеют защитной изоляции, поэтому приведенные выше значения актуальны только для тестирования оборудования.

Испытательное напряжение должно плавно увеличиваться до максимального заданного уровня в течение минимального периода времени, которое определяется в некоторых стандартах (например, 5 с) [10, 17].

Основные термины и критерии отказа

В стандартах для определения различных видов отказов использованы разные термины, которые разъяснены ниже:

• электрический пробой — это повреждение изоляции под воздействием электрического стресса, когда возникающий разряд полностью перекрывает изоляцию, уменьшая напряжение между электродами практически до нуля [3];
• пробивной разряд — возникновение дуги после пробоя диэлектрика [24];
• искровой пробой — пробивной разряд в газо­образном или жидком диэлектрике [24];
• поверхностный разряд — пробой по поверхности твердого диэлектрика, находящегося в газовой или жидкой среде [24];
• точечный пробой — пробивной разряд через твердый диэлектрик [24].

Критерии отказа для высоковольтных испытаний также варьируются в различных стандартах и частично противоречат друг другу. Тест считается успешно пройденным в следующих случаях:

• отсутствует пробивной разряд (искровой, поверхностный или точечный пробой) [10]; ток утечки, контролируемый впроцессе испытаний, не превышает заданного значения;
• отсутствует электрический пробой [21] или пробой изоляции [3];
• испытательный ток не увеличивается неконтролируемым образом; коронный разряд или мгновенный поверхностный разряд не считаются пробоем изоляции [18].

Из-за этих различий необходимо выбирать стандарт, максимально соответствующий конкретному продукту. Единые критерии повреждения изоляции не определены.

Другие методы контроля изоляции

Импульсный тест

Тест на воздействие импульсных сигналов предназначен для имитации перенапряжений атмосферного происхождения и перенапряжений, создаваемых при коммутации оборудования. Испытания считаются успешно пройденными, если отсутствует точечный, поверхностный или искровой пробой [3]. Они позволяют убедиться в том, что все зазоры и твердая изоляция компонентов имеют адекватную электрическую прочность. Преимущество этого теста — очень короткое время воздействия, что позволяет минимизировать электрический стресс для изоляции и исключить эффект старения компонента.

Характеристики твердой изоляции и изолирующих зазоров различаются при увеличении времени испытательного воздействия, в целом же они значительно ухудшаются. Поэтому высоковольтные испытания, предназначенные для проверки твердой изоляции, не могут быть заменены на импульсный тест. Воздействие импульсного испытательного напряжения не позволяет проверить способность изоляции компонентов надежно работать в течение всего срока службы.

Частичный разряд

Частичные разряды (partial discharge), как правило, происходят в изоляции электро­оборудования, работающего при напряжении от 3000 В и выше. Согласно международному стандарту IEC 60270 и ГОСТ 20074-83, частичным разрядом называется локальный электрический разряд, который шунтирует только часть изоляции в ее структуре.

Частичные разряды возникают в пустотах в твердой изоляции (бумажной или полиэтиленовой), в многослойных системах электродов/проводников, имеющих несколько слоев твердой изоляции, а также в пузырьках газа (в случае жидкой изоляции) или вокруг электродов в газе (коронный разряд).

Данный тест призван подтвердить, что в твердых изоляционных материалах, используемых в компонентах и сборках, не наблюдаются частичные разряды в заданном диапазоне напряжений [3]. Частичные разряды в зазорах, которые не приводят к отказам компонентов, не учитываются [10]. Этот вид испытаний не выявляет искрового пробоя, уровень испытательного напряжения обычно ниже, чем возможное перенапряжение атмо­сферного происхождения.

Тесты на частичный разряд для твердой изоляции проводятся в тех случаях, когда пиковое значение напряжения превышает 700 В и средняя напряженность поля больше 1 кВ/мм [10].

Проверка сопротивления изоляции

Измерение сопротивления изоляции R_iso проводят для оценки ее общего состояния. Обычно это делается во время планового обслуживания, причем в ходе данной проверки любые эффекты старения должны быть исключены. Измерение R_iso позволяет оценить степень старения изоляции по сравнению с предыдущими проверками (проводимыми в течение нескольких лет), но не дает возможности выявить в ней слабые места [19]. Уменьшение зазоров оборудования и вероятность возникновения поверхностного пробоя не проверяются, поскольку испытательное напряжение при проверке сопротивления изоляции гораздо ниже ожидаемых перенапряжений атмосферного происхождения.

Слабые места изолирующего слоя можно выявить только с помощью импульсного теста, а также в ходе стандартных высоковольтных испытаний.