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    寬頻高壓脈沖參數(shù)對(duì)聚酰亞胺薄膜局部放電特性的影響

    2021-10-11 01:45:34劉暢卞偉杰張興顧亞楠吳淑群張潮海
    電力工程技術(shù) 2021年5期
    關(guān)鍵詞:聚酰亞胺時(shí)延幅值

    劉暢,卞偉杰,張興,顧亞楠,吳淑群,張潮海

    (南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京 211106)

    0 引言

    隨著柔性直流輸電工程的發(fā)展,絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)已應(yīng)用于高壓換流閥[1]。現(xiàn)有IGBT電壓等級(jí)已提高到了6.5 kV以上[2—3],其絕緣性能是關(guān)系到換流閥能否正常安全運(yùn)行的重要因素[4]。不同于常規(guī)的交/直流電應(yīng)力,IGBT器件承受高電壓脈沖電應(yīng)力作用,其絕緣狀態(tài)檢測(cè)和老化評(píng)估與高壓脈沖參數(shù)息息相關(guān)。其中,局部放電特性對(duì)絕緣狀態(tài)檢測(cè)與老化評(píng)估至關(guān)重要。因此,研究脈沖電應(yīng)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(guān)鍵因素。文獻(xiàn)[5]指出在實(shí)驗(yàn)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(nèi)平均放電量和單個(gè)周期內(nèi)的放電次數(shù)隨著電壓的增大而增加。文獻(xiàn)[6]指出在電壓峰峰值3 kV,實(shí)驗(yàn)溫度160 ℃條件下,電機(jī)絞線在脈沖頻率1~15 kHz范圍內(nèi),隨著頻率增大,電應(yīng)力會(huì)造成局部放電平均放電量增大;文獻(xiàn)[7]在電壓峰峰值3 kV,實(shí)驗(yàn)溫度25 ℃條件下,對(duì)聚酰胺酰亞胺絞線進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在脈沖頻率0.5~10 kHz范圍內(nèi),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(xiàn)[8]在脈沖頻率1 kHz,電壓峰峰值3 kV,上升沿10~100 ns的實(shí)驗(yàn)條件下,發(fā)現(xiàn)隨著上升沿時(shí)間增加,雙絞線局部放電幅值減小,相位增大;文獻(xiàn)[9—10]指出在脈沖頻率50 Hz,電壓3 kV,實(shí)驗(yàn)溫度100 ℃的條件下,在上升沿20 ns~1 μs的范圍內(nèi),隨上升沿時(shí)間的縮短,雙絞線放電幅值增大,單個(gè)周期放電總量減少。文獻(xiàn)[11—12]指出在脈沖頻率50 Hz,實(shí)驗(yàn)溫度25 ℃,聚酰亞胺漆包線在脈沖持續(xù)時(shí)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(xiàn)[13]指出在脈沖頻率10 kHz,實(shí)驗(yàn)溫度25 ℃的條件下,漆包線在占空比5%~50%的范圍內(nèi),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(shù)對(duì)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(xiàn)有研究的脈沖頻率局限在50 Hz~15 kHz范圍內(nèi),無法反映脈沖頻率為20 kHz及以上時(shí)的局部放電特性;(2)上升沿對(duì)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(duì)局部放電的影響;(3)占空比對(duì)局部放電特性的影響的研究對(duì)象集中于電機(jī)匝間漆包線,未展開針對(duì)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(duì)象,研究了寬脈沖參數(shù)范圍下電壓幅值、頻率、上升沿、脈寬對(duì)聚酰亞胺薄膜局部放電特性的影響。

    1 局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

    局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意如圖1所示,該平臺(tái)包含納秒脈沖電源系統(tǒng)、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(tǒng),以及溫濕度控制系統(tǒng)。利用具有干燥、控溫功能的空調(diào)控制環(huán)境溫度和濕度,將電極附近(0.5 m)的環(huán)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(gè)并聯(lián)的5 kΩ電阻,電極的另一端直接接地。利用高壓探頭測(cè)試放電裝置兩端的電壓,高頻脈沖電流傳感器測(cè)量由電極流入大地的電流,并將電壓與電流信號(hào)傳入示波器,再通過示波器的USB端口將數(shù)據(jù)傳至PC系統(tǒng)。結(jié)合PC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的LabVIEW局放統(tǒng)計(jì)程序,可以獲得局部放電統(tǒng)計(jì)圖譜。

    利用高壓探頭Tektronix P6015A測(cè)量球板電極兩端電壓。利用電流探頭Pearson 2877測(cè)量接地側(cè)的電流,其帶寬為200 MHz,響應(yīng)時(shí)間為2 ns,能夠?qū)植糠烹娦盘?hào)進(jìn)行精確測(cè)量。所采集的電壓、電流信號(hào)由TektronixMDO3034示波器進(jìn)行記錄。采用的高頻高壓脈沖電源輸出參數(shù)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(shù)范圍內(nèi)的脈沖電應(yīng)力對(duì)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(jù)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(zhǎng)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(diào)開至25 ℃除濕模式,使試樣保持在溫度為(23±2)℃,相對(duì)濕度為(50±5)%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)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(diǎn)(缺陷)與絕緣材料之間構(gòu)成的稍不均勻電場(chǎng),文中設(shè)計(jì)了不均勻系數(shù)[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(chǎng)仿真二維模型,模擬了固體介質(zhì)為100 μm厚聚酰亞胺薄膜的球板電極放電裝置的靜電場(chǎng)空間分布,如圖2所示,最大電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到5.1×107V/m。

    圖2 電場(chǎng)的仿真結(jié)果及實(shí)際放電現(xiàn)象Fig.2 Simulation results of electric field and actual discharge phenomena

    仿真發(fā)現(xiàn),電場(chǎng)最強(qiáng)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(shí)驗(yàn)過程中紫色光圈放電出現(xiàn)在靠近球電極頂端附近的空氣間隙中,與仿真結(jié)果中最大電場(chǎng)強(qiáng)度位置相同,并伴隨放電聲。

    2 局部放電信號(hào)測(cè)量

    在實(shí)際局部放電測(cè)量過程中,即使未發(fā)生局部放電,電流探頭也能測(cè)到峰值高達(dá)數(shù)百毫安的位移電流,遠(yuǎn)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(shí)的局部放電信號(hào),必須去除位移電流的影響。

    實(shí)驗(yàn)裝置可進(jìn)行RLC電路等效,其示意見圖3。其中,R為保護(hù)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于保護(hù)電阻);US為電源電壓。

    圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等效RLC電路Fig.3 Equivalent RLC circuit of experimental platform

    從電路的時(shí)域分析角度計(jì)算,當(dāng)US為階躍函數(shù)時(shí),流經(jīng)負(fù)載電極裝置的電流[15]為:

    (1)

    式中:p1,p2為特征根,其數(shù)值由電路自身RLC參數(shù)決定。由式(1)可見,同一時(shí)刻的位移電流與施加的電壓幅值呈線性關(guān)系,并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此,通過測(cè)量未發(fā)生局部放電情況下的位移電流,再乘以比例系數(shù)k,即可獲得發(fā)生局部放電時(shí)的位移電流。然后,在總電流波形中減去位移電流,獲得真實(shí)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(fā)生了重疊。另外,放電電流的幅值約為0.2 A,遠(yuǎn)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(duì)時(shí)間起點(diǎn),位移電流波形峰值比放電電流波形峰值出現(xiàn)更早,大約為71.2 ns。該發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(cè)量脈沖電應(yīng)力下的局部放電信號(hào)。

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

    3 高電壓脈沖參數(shù)對(duì)聚酰亞胺薄膜局放特性的影響分析

    采用局部放電統(tǒng)計(jì)譜圖法,研究電壓幅值、脈沖重復(fù)頻率、脈寬及上升沿對(duì)局部放電特性的影響。在統(tǒng)計(jì)譜圖繪制過程中,每個(gè)電壓脈沖內(nèi)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(xiàn)的延時(shí)。其中,延時(shí)為相對(duì)電壓脈沖上升沿信號(hào)觸發(fā)的電流峰值出現(xiàn)時(shí)間。相對(duì)幅值是放電電流幅值除以采集的多個(gè)脈沖周期內(nèi)最大放電電流幅值。

    3.1 電壓幅值對(duì)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(shí)間都為136 ns,采集聚酰亞胺薄膜在不同電壓幅值下500個(gè)周期內(nèi)的放電時(shí)延及放電電流幅值。以數(shù)百個(gè)周期內(nèi)的放電電流幅值的平均值和放電時(shí)延平均值為數(shù)據(jù)點(diǎn),對(duì)6組不同電壓幅值下的上升沿放電幅值以及放電時(shí)延進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到局部放電統(tǒng)計(jì)特性與電壓幅值的關(guān)系,即圖5??梢姡S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(dāng)電壓幅值由3.12 kV上升至4.4 kV時(shí),上升沿放電時(shí)延明顯減?。划?dāng)電壓幅值繼續(xù)升高時(shí),上升沿時(shí)延變化不明顯。

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

    3.2 脈沖頻率對(duì)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(shí)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(gè)周期內(nèi)的放電時(shí)延及放電電流幅值。

    如圖6所示,上升沿處放電電流相對(duì)幅值主要分布在0.5~1.0范圍內(nèi),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(duì)更小。頻率1 kHz下上升沿處放電電流峰值出現(xiàn)的時(shí)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(xiàn)的時(shí)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(xiàn)的時(shí)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(shí)延增大。

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

    以數(shù)百個(gè)周期內(nèi)的放電電流幅值的平均值和放電時(shí)延平均值為數(shù)據(jù)點(diǎn),對(duì)5組不同脈沖頻率下的上升沿放電幅值及放電時(shí)延進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到局部放電統(tǒng)計(jì)特性與電壓幅值的關(guān)系曲線,即圖7。隨著脈沖頻率的增大,上升沿的放電時(shí)延由60 ns逐漸增大至140 ns,放電時(shí)延明顯增大;脈沖頻率對(duì)放電幅值影響微弱,局部放電電流幅值基本穩(wěn)定在0.2 A。

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

    3.3 上升沿時(shí)間對(duì)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(duì)局部放電特性的影響,將電壓幅值、下降沿及頻率等參數(shù)保持不變,結(jié)果見圖8。由圖8可知,脈沖電壓上升沿時(shí)間從136 ns增長(zhǎng)至300 ns,其余參數(shù)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(shí)間為50 ns。由于電極裝置為容性負(fù)載,電極兩端的電壓上升時(shí)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(shù)據(jù)為電極兩端實(shí)際承受的脈沖電壓上升沿。在不同上升沿時(shí)間(230 ns,330 ns,400 ns)下,采集聚酰亞胺薄膜在500個(gè)周期內(nèi)的放電時(shí)延及放電電流幅值,結(jié)果見圖9。

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

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

    以數(shù)百個(gè)周期內(nèi)的放電電流幅值的平均值和放電時(shí)延平均值為數(shù)據(jù)點(diǎn),對(duì)8組不同上升沿時(shí)間下的上升沿放電幅值以及放電時(shí)延進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到局部放電統(tǒng)計(jì)特性與電壓幅值的關(guān)系曲線,即圖10。可見,隨著上升沿時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)延Fig.10 Discharge amplitude and discharge delay under different rise time

    3.4 上升沿時(shí)間對(duì)聚酰亞胺薄膜局放特性的影響

    文中對(duì)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(duì)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(shí)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(gè)周期內(nèi)的放電數(shù)據(jù),共10組數(shù)據(jù)。選取500 ns及1 μs脈寬下局部放電量的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差作為數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)延Fig.11 Discharge amplitude and discharge delay under different pulse widths

    脈沖頻率為20 kHz時(shí),脈寬500 ns下的放電電流幅值約0.23 A,放電時(shí)延為84 ns,脈寬1 μs下的放電電流幅值約0.14 A,放電時(shí)延為89.5 ns;脈沖頻率為50 kHz時(shí),脈寬500 ns下的放電電流幅值約0.17 A,放電時(shí)延為125 ns,脈寬1 μs下的放電電流幅值約0.08 A,放電時(shí)延為126 ns;當(dāng)脈沖頻率為100 kHz時(shí),脈寬500 ns下的放電電流幅值約0.22 A,放電時(shí)延為146 ns,脈寬1 μs下的放電電流幅值約0.17 A,放電時(shí)延為160.9 ns。因此,在不同脈沖頻率下,脈寬500 ns下的放電時(shí)延比1 μs下的放電時(shí)延快約20 ns;當(dāng)脈沖頻率在10~100 kHz時(shí),脈寬越大,局部放電幅值越小,局部放電時(shí)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(fù)頻率、上升沿時(shí)間和占空比對(duì)聚酰亞胺薄膜局部放電特性的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)放電時(shí)延隨著脈沖頻率增加而增大,與文獻(xiàn)[6—7]相似。然而,研究發(fā)現(xiàn)局部放電信號(hào)幅值隨著脈沖頻率的增大而保持基本不變,與文獻(xiàn)[6—7]結(jié)果顯著不同。這可能與研究的頻率范圍和電極結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。文中將脈沖重復(fù)頻率拓展至100 kHz,遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[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(jié)構(gòu)。這兩者都會(huì)導(dǎo)致空間電荷運(yùn)動(dòng)和熱量擴(kuò)散不同,使得局部放電信號(hào)幅值存在一些差異。

    研究發(fā)現(xiàn)隨著上升沿增大,放電幅值逐漸減小且放電時(shí)延逐漸增大,與文獻(xiàn)[8]研究結(jié)果相似。此外,關(guān)于占空比對(duì)局部放電特性影響,研究發(fā)現(xiàn):在脈沖重復(fù)頻率為10~100 kHz范圍內(nèi),上升沿處局部放電信號(hào)幅值隨脈寬增大而減小,與文獻(xiàn)[13]的研究結(jié)果相似;然而,上升沿處局部放電時(shí)延隨著脈寬增大而增大,與文獻(xiàn)[11—12]在50 Hz下的研究結(jié)果相反。因此,下文從局部放電機(jī)理分析脈沖重復(fù)頻率、上升沿時(shí)間及脈寬的影響。

    4.1 脈沖重復(fù)頻率對(duì)局放特性的影響

    通常來講,脈沖頻率升高導(dǎo)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(fā)生。然而,由于文中脈寬短至500 ns,局部放電發(fā)生次數(shù)少,總體溫度并未大幅上升。采用紅外測(cè)溫儀發(fā)現(xiàn)脈沖重復(fù)頻率為100 kHz時(shí)局部放電位置處薄膜溫度稍微高于環(huán)境溫度。因此,頻率導(dǎo)致的溫升效應(yīng)不顯著。此外,當(dāng)脈沖重復(fù)頻率增大時(shí),2次放電的時(shí)間間隔縮短,電荷復(fù)合過程時(shí)間減少,導(dǎo)致更多的空間電荷殘留下來[16—17],容易阻礙電子崩的發(fā)展和初始電子的產(chǎn)生,使得表面可脫陷的電子減少,放電延遲時(shí)間增大。

    4.2 上升沿時(shí)間對(duì)局放特性的影響

    當(dāng)脈沖電壓上升沿時(shí)間減小時(shí),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(chǎn)生激發(fā)電子崩的初始電子,在等待初始電子產(chǎn)生的時(shí)間中過電壓增大。在過電壓作用下,空間電場(chǎng)增強(qiáng),電子崩發(fā)展過程的延時(shí)會(huì)顯著縮短,導(dǎo)致放電時(shí)延減小和局部放電信號(hào)幅值增大,與文獻(xiàn)[9—10]結(jié)果類似。

    4.3 脈寬對(duì)局放特性的影響

    圖12為稍不均勻場(chǎng)下的電荷分布。當(dāng)脈寬增大時(shí),會(huì)同時(shí)加速空間正負(fù)離子復(fù)合、薄膜表面電荷積累、電荷自身徑向極型擴(kuò)散這3個(gè)過程,而這3個(gè)過程互相之間是呈競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。其中,電荷擴(kuò)散速度為毫秒至秒量級(jí),而空間正負(fù)離子的復(fù)合為微秒至毫秒量級(jí)。當(dāng)脈寬增大時(shí),增加了電荷擴(kuò)散的可能性,相對(duì)而言電荷復(fù)合的影響會(huì)減弱,因此在下次放電時(shí)薄膜表面積累的正電荷數(shù)量會(huì)增多,削弱了空間電場(chǎng),使得脈寬增大時(shí)放電幅值減小。同時(shí),空間電場(chǎng)減小后,放電時(shí)延更大。

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

    5 結(jié)語

    為探索脈沖電應(yīng)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(cè)量的平臺(tái),文中研究了脈沖電壓幅值、上升沿、脈寬及頻率對(duì)聚酰亞胺薄膜局部放電特性的影響,獲得如下結(jié)論:(1)隨著電壓幅值增大,上升沿處局部放電信號(hào)幅值增大,放電時(shí)延減小,下降沿處放電時(shí)延基本不變;(2)隨著脈沖重復(fù)頻率增大,上升沿處放電時(shí)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(shí)間增大,放電時(shí)延增大且更加分散,局部放電信號(hào)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(shí)局部放電信號(hào)幅值更大,放電時(shí)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(cè)和絕緣老化狀態(tài)評(píng)估提供重要科學(xué)依據(jù),而且有利于指導(dǎo)更高頻、開斷速度更快的新型半導(dǎo)體開關(guān)器件的絕緣優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)新一代柔性直流輸電工程的換流閥絕緣設(shè)計(jì)與狀態(tài)檢測(cè)具有參考意義。

    本文得到中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(NT2020007),臺(tái)達(dá)電力電子科教發(fā)展計(jì)劃青年項(xiàng)目(DREG2017008)資助,謹(jǐn)此致謝!

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