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IGBT在NaCl环境下硅凝胶绝缘表面放电的拐点现象及形成机理
Inflection Point Phenomenon and Formation Mechanism in Surface Discharge of Silicone Gel Insulation of IGBT Under NaCl Environment
| 作者 | Feng Wang · Geer Jing · Hanwen Ren · Shanzhen Fan · Ruoqing Hong · Wei Wang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年10月 |
| 技术分类 | 风电变流技术 |
| 技术标签 | IGBT |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | IGBT模块 硅胶凝胶 盐雾环境 表面放电 拐点现象 |
语言:
中文摘要
作为海上风力发电变流器的核心部件,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的灌封硅凝胶绝缘材料在海洋盐雾运行环境的长期作用下易发生劣化。为研究盐雾环境下硅凝胶的沿面放电特性,本文设计了放电实验平台和测量样品。基于方波电压下样品沿面局部放电测量结果,发现盐雾环境下硅凝胶沿面放电的次数和相位与电压频率呈正相关。同时,与无盐雾条件相比,海洋标准条件下的放电幅值和相位分别增加了54.4%和32.8%。此外,测量发现盐雾环境下在15 kHz时沿面击穿电压存在特殊的频率诱发拐点现象。因此,进一步结合盐雾离子和电压频率对放电的影响机制建立了拐点数学模型,计算得到的拐点频率为16.99 kHz,与测量结果接近。本文研究结果可为盐雾环境下IGBT硅凝胶绝缘沿面放电特性及机理提供理论支撑。
English Abstract
As the core component of offshore wind power converter, the encapsulated silicone gel insulation material of insulated gate bipolar transistor (IGBT) module is prone to deterioration under the long-term action of ocean salt fog operation environment. In order to study the surface discharge of silicone gel in salt fog environment, this article designs a discharge experimental platform and measurement samples. Based on the partial discharge measurement results along the sample surface under square wave voltages, it is found that the number and phase of surface discharge of silicone gel under the salt fog environment are positively correlated with the voltage frequency. Meanwhile, the amplitude and the phase of discharge under the ocean standard condition show an increase of 54.4% and 32.8% compared with those under the condition without salt fog. Furthermore, the measurement finds that there is a special frequency-induced inflection point phenomenon of surface breakdown voltage at 15 kHz under the salt fog environment. Therefore, a mathematical model of the inflection point is established by further combining the influencing mechanism of salt fog ions and voltage frequency on the discharge, and the calculated inflection frequency of 16.99 kHz is close to the measurement result. The results of this article can provide theoretical support for the characteristics and mechanism of surface discharge of IGBT silicone gel insulation under salt fog environment.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于IGBT硅凝胶绝缘材料在盐雾环境下表面放电特性的研究具有重要的工程应用价值。IGBT作为光伏逆变器和储能变流器的核心功率器件,其可靠性直接影响系统的长期稳定运行,尤其在海上风电、沿海光伏电站等高盐雾环境中,绝缘失效是导致设备故障的主要原因之一。
该研究揭示的15kHz频率拐点现象对我们的产品设计具有直接指导意义。研究发现盐雾环境下放电幅值和相位分别增加54.4%和32.8%,这意味着在沿海地区部署的逆变器和储能系统面临更严峻的绝缘挑战。更关键的是,建立的频率拐点数学模型(计算值16.99kHz)为我们优化PWM调制策略提供了理论依据——通过合理设置开关频率,可以避开高风险频段,延长IGBT模块寿命。
从技术成熟度评估,该研究仍处于实验室阶段,但其方法论和数学模型具有较高的工程转化潜力。对阳光电源而言,可以在以下方面应用:一是优化海洋环境产品的IGBT封装材料选型和涂覆工艺;二是在控制算法层面规避危险频率区间;三是建立针对盐雾环境的加速老化测试标准。
主要挑战在于实际工况的复杂性——温湿度循环、紫外辐射等多因素耦合效应尚需进一步研究。建议与高校合作开展定制化研究,将实验室发现转化为产品级解决方案,这将显著提升我们在海上新能源市场的竞争力,特别是在海上光伏、海上制氢等新兴业务领域建立技术壁垒。