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电动汽车驱动 ★ 5.0

方波电压高频与高dv/dt耦合作用下封装绝缘界面放电特性及绝缘寿命分析

Interfacial Discharge Characteristics and Insulation Life Analysis of Package Insulation Under Square Voltage Coupled With High Frequency and Steep dv/dt

作者 Wei Wang · Qingmin Li · Daocheng Lu · Yujie Tang · Jian Wang · Hanwen Ren
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2024年12月
技术分类 电动汽车驱动
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 界面放电 高频局部放电测试系统 上升时间 频率 封装绝缘优化
语言:

中文摘要

方波电压的高频特性及高电压变化率(dv/dt)是电力电子器件直接键合铜(DBC)基板界面放电(ID)的主要原因。本文搭建了DBC基板陶瓷、金属层与硅胶交界处的高频局部放电测试系统,提出了一种能够屏蔽强电磁干扰(EMI)的局部放电测量方法。研究结果表明,当电压上升时间从500 ns缩短至100 ns时,界面放电起始电压(IDIV)提高了13.8%,且该起始电压几乎与频率无关;其次,随着上升时间的缩短,初始放电相位逐渐提前,平均放电幅值和最大放电幅值逐渐增大,放电次数逐渐减少;当频率从10 kHz升高至50 kHz时,放电相位占比显著增加,平均放电幅值呈先增大后减小的趋势,放电次数大幅增加。最后发现,频率对封装绝缘寿命的影响比电压陡度更大。上述研究结果可为电子器件的高频放电检测和封装绝缘优化提供参考。

English Abstract

Square voltage coupled high frequency and steep dv/dt is the main cause of interfacial discharge (ID) at the direct bond copper (DBC) substrate of power electronic devices. In this article, a high-frequency partial discharge test system at the junction of ceramic, metal layer, and silicone gel on DBC substrate is built. A partial discharge measurement method capable of shielding from strong electromagnetic interference (EMI) is proposed. The research results show that the rising time is shortened from 500 to 100 ns, and the ID inceptive voltage (IDIV) increases by 13.8%, but it is almost frequency independent. Second, the initial discharge phase is gradually advanced with the shortening of the rising time. The average and maximum discharge amplitude gradually increases and the number of discharges decreases. When the frequency rises from 10 to 50 kHz, the discharge phase percentage increases significantly. While the average discharge amplitude tends to increase and then decrease, the number of discharges increases substantially. Finally, it is found that the frequency is more harmful to the package insulation life than the voltage steepness. The above findings can provide a reference for the high-frequency discharges detection and the package insulation optimization for electronic devices.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于高频方波电压下封装绝缘界面放电特性的研究具有重要的工程应用价值。随着我司光伏逆变器和储能变流器向高频化、高功率密度方向发展,功率器件面临的电压应力日益严峻,特别是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带器件的应用使得开关频率提升至数十kHz,dv/dt可达数十V/ns,这与论文研究的工况高度契合。

该研究揭示的关键发现对我司产品优化具有直接指导意义。首先,论文证实频率对封装绝缁寿命的影响大于电压陡度,这提示我们在追求高频化设计时需要更审慎地评估DBC基板的绝缘裕度。其次,研究建立的抗强电磁干扰局部放电检测方法,可直接应用于我司功率模块的出厂检测和在线监测系统,提升产品可靠性预测能力。第三,论文量化了放电起始电压与上升时间的关系(上升时间从500ns降至100ns,起始电压仅提升13.8%),为我们优化栅极驱动电路和缓冲电路设计提供了数据支撑。

从技术成熟度评估,该研究仍处于实验室阶段,但其测试方法和失效机理分析已较为完善。应用挑战在于如何将实验室条件下的发现转化为实际产品的设计准则,特别是考虑温度循环、湿度等多重应力耦合效应。建议我司技术中心与相关研究团队建立合作,将该检测技术集成到我们的功率模块可靠性验证平台,同时在新一代高频逆变器设计中引入界面放电风险评估流程,这将有助于巩固我们在高可靠性电力电子产品领域的技术领先地位。