เหตุใดอินเวอร์เตอร์ SiC จึงเปลี่ยนข้อกำหนดฉนวนของขดลวด
เซมิคอนดักเตอร์กำลังของซิลิคอนคาร์ไบด์เปลี่ยนได้เร็วกว่าซิลิคอน IGBT รุ่นก่อน 2–10 เท่า. SiC MOSFET ในอินเวอร์เตอร์ EV 400V หรือ 800V จะสลับเข้าด้านล่าง 100 นาโนวินาที — dV/dt (อัตราการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้า) 5–30 kV/μs ที่ขั้วต่อมอเตอร์. ขดลวดมอเตอร์ไม่เคยเห็นหน้าคลื่นแรงดันไฟฟ้าประเภทนี้มาก่อนในยุคของไดรฟ์ IGBT ทั่วไป, และระบบฉนวนไม่เคยถูกออกแบบให้ทนทานได้อย่างไม่มีกำหนด.
ผลลัพธ์ที่ได้คือโหมดความล้มเหลวที่มีการบันทึกไว้อย่างดี: แรงดันไฟกระชากทำให้สนามไฟฟ้าในช่วงสองสามรอบแรกของช่องคอยล์แรกไปถึงค่าการพังทลายเกินกว่าระดับฉนวนของมอเตอร์. การเลี้ยวจะไม่ล้มเหลวในทันที - พวกมันจะล้มเหลวเนื่องจากการกัดเซาะของการปล่อยประจุบางส่วนที่ก้าวหน้า, ในที่สุดก็พัฒนาวงจรไฟฟ้าลัดวงจรแบบเลี้ยวต่อเลี้ยวที่เรียงซ้อนเป็นความผิดปกติของกราวด์. เวลาที่จะล้มเหลวได้ 50,000 ชั่วโมงที่ dV/dt ปานกลางหรือน้อยกว่า 1,000 ชั่วโมงที่ความเร็วสวิตช์สูงสุดด้วยสายเคเบิลยาวระหว่างอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์.
การทดสอบแรงดันไฟกระชากของมอเตอร์และคุณลักษณะ dV/dt เป็นเครื่องมือตรวจสอบความถูกต้องเชิงป้องกันที่จะตรวจจับโหมดความล้มเหลวนี้ก่อนที่มอเตอร์ที่ใช้งานจริงจะจัดส่งไปยังการใช้งานภาคสนาม.
ฟิสิกส์เบื้องหลังความเสียหายจากไฟกระชากในขดลวดมอเตอร์
- การกระจายแรงดันไฟฟ้าในขดลวดสุ่ม: เมื่อพัลส์แรงดันไฟฟ้าเร็วมาถึงขั้วมอเตอร์, แรงดันไฟฟ้าไม่กระจายเท่ากันทุกรอบในขดลวด. การหมุนครั้งแรก — ที่ปลายเส้นของคอยล์ — เห็นได้ถึง 50–80% ของแอมพลิจูดของพัลส์เต็มในช่วงนาโนวินาทีแรก, ในขณะที่โค้งสุดท้ายแทบจะมองไม่เห็นอะไรเลย. การกระจายแบบไม่สม่ำเสมอนี้ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของความจุระหว่างเทิร์นต่อตัวเหนี่ยวนำแบบเลี้ยวต่อเลี้ยว ซึ่งเป็นพารามิเตอร์เรขาคณิตของขดลวดซึ่งโดยพื้นฐานแล้วจะมองไม่เห็นในการทดสอบฉนวนไฟฟ้ากระแสตรงหรือความถี่ต่ำ.
- การเริ่มต้นจำหน่ายบางส่วน: เมื่อแรงดันไฟฟ้าแบบเลี้ยวต่อเลี้ยวเกินแรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นการคายประจุบางส่วน (พีดีวี), หิมะถล่มของอิเล็กตรอนเริ่มกัดกร่อนพื้นผิวฉนวน. การคายประจุบางส่วนไม่ได้ทำลายฉนวนในทันที แต่จะทำให้เกิดคาร์บอนและสลายตัวไปเรื่อยๆ. ที่ขอบสวิตชิ่งอินเวอร์เตอร์แต่ละตัว, มีเหตุการณ์ PD เกิดขึ้น; ที่ 20 ความถี่การสลับ kHz ด้วย SiC, นั่นคือ 40,000 เหตุการณ์ PD ต่อวินาที.
- การขยายเสียงสะท้อนของสายเคเบิล: สายมอเตอร์ยาว (เกิน 10 เมตร) ระหว่างอินเวอร์เตอร์และมอเตอร์ทำหน้าที่เป็นสายส่ง. อิมพีแดนซ์ไม่ตรงกันที่ขั้วอินพุตของมอเตอร์ทำให้พัลส์สะท้อน, เพิ่มแรงดันไฟฟ้ายอดที่ขั้วมอเตอร์เป็นสองเท่าอย่างมีประสิทธิภาพโดยสัมพันธ์กับแรงดันเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์. ปรากฏการณ์การสะท้อนนี้เป็นสาเหตุที่ทำให้มอเตอร์ที่มีระบบฉนวนเหมือนกันอาจทำงานล้มเหลวอย่างรวดเร็วในการติดตั้งสายเคเบิลยาว แต่จะคงอยู่ได้อย่างไม่มีกำหนดในการใช้งานกับสายเคเบิลสั้น.
รายการทดสอบหลักสำหรับแรงดันไฟกระชากของมอเตอร์และการทดสอบ dV/dt
1. การทดสอบความทนทานต่อแรงดันไฟกระชาก (ไออีซี 60034-18-41)
เครื่องกำเนิดการทดสอบไฟกระชากใช้แรงกระตุ้นไฟฟ้าแรงสูง — โดยทั่วไป 1.2 เวลาเพิ่มขึ้น μs, 50 μs tail — ระหว่างทางเลี้ยวที่อยู่ติดกันหรือระหว่างส่วนขด. แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ใช้ถูกกำหนดโดย IEC 60034-18-41 ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดของมอเตอร์และหมวดหมู่ความน่าเชื่อถือของเป้าหมาย. สำหรับมอเตอร์ 690V, ระดับความทนทานมาตรฐานสำหรับ Type I (ไม่เหมาะกับไดรฟ์อินเวอร์เตอร์) เป็น 1,300 วีพีค; ประเภทที่สอง (อินเวอร์เตอร์ที่เหมาะสม) ต้องทนได้ถึง 2,000 V จุดสูงสุดสำหรับพัลส์ต่อเนื่องกันห้าครั้งโดยไม่มีการวาบไฟตามผิวหรือมีกิจกรรม PD มากเกินไป.
ตัวชี้วัดที่สำคัญ: ทนต่อแรงดันไฟฟ้าสูงสุด (วี), จำนวนพัลส์ที่ไม่มีวาบไฟตามผิว, แรงดันไฟฟ้าเกณฑ์วาบไฟตามที่เห็น (วี), พีดีวี (วี).
2. แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นและการสูญเสียการคายประจุบางส่วน (พีดีวี / พีดีอีวี)
แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นจากศูนย์ในขณะที่เครื่องตรวจจับ PD (สอบเทียบตาม IEC 60270) ตรวจสอบขั้วอินพุตสำหรับพัลส์การชาร์จ. แรงดันไฟฟ้าที่เหตุการณ์คายประจุซ้ำได้ปรากฏขึ้นครั้งแรกคือ PDIV; แรงดันไฟฟ้าที่พวกมันหยุดลงคือ PDEV. สำหรับมอเตอร์ที่มีไว้สำหรับใช้กับอินเวอร์เตอร์ SiC บนแพลตฟอร์ม 800V EV, PDIV ข้างต้น 1,600 V ที่ความถี่ทดสอบ (โดยทั่วไป 50–200 Hz) ให้มาร์จิ้นที่เพียงพอ. PDIV มีความไวสูงต่อความกดอากาศ — การใช้งานด้านการบินและอวกาศจำเป็นต้องมีการวัด PDIV ที่ระดับความสูง (4 ปาสคาล, เทียบเท่ากับ 25 ระดับความสูง กม. ต่อ IEC 60034-18-42).
ตัวชี้วัดที่สำคัญ: พีดีวี (วี), พีดีอีวี (วี), ขนาดการชาร์จ PD ที่แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด (พีซี), PDIV ที่ความดันลดลง ถ้ามี (วีที่ 10 ปาสคาล).
3. การทดสอบความทนทาน dV/dt
มอเตอร์ขับเคลื่อนด้วยระบบอินเวอร์เตอร์จริง (หรืออินเวอร์เตอร์ทดสอบที่ตั้งโปรแกรมไว้เพื่อจำลองความเร็วในการเปลี่ยนเป้าหมาย) ที่พิกัดโหลดเป็นระยะเวลานาน — โดยทั่วไปคือ 500–2,000 ชั่วโมง ขึ้นอยู่กับประเภทการทดสอบ. ความต้านทานของฉนวนวัดที่จุดเริ่มต้นและตามช่วงเวลาที่กำหนด. ความต้านทานของขดลวดจะถูกบันทึกเพื่อตรวจจับการเลี้ยวที่ลัดวงจร. การทดสอบจะดำเนินการที่อุณหภูมิสูง (โดยทั่วไปจะมีอุณหภูมิสูงกว่าขีดจำกัดระดับอุณหภูมิที่กำหนด 20°C) เพื่อเร่งกลไกการย่อยสลายโดยไม่เปลี่ยนฟิสิกส์.
ตัวชี้วัดที่สำคัญ: ความต้านทานของฉนวนที่ 0 ชม., 250 ชม., 500 ชม. (MΩ); การเปลี่ยนแปลงความต้านทานของขดลวด (%); เวลาถึงความต้านทานของฉนวนด้านล่าง 1 MΩ (เกณฑ์ความล้มเหลว).
4. การทดสอบการสะท้อนความยาวสายเคเบิล
ขั้วต่อมอเตอร์เชื่อมต่อกับอินเวอร์เตอร์ทดสอบโดยใช้สายเคเบิลที่มีความยาวปกติ — โดยทั่วไป 1 ม (พื้นฐาน), 10 ม, และ 30 m — โดยมีคุณลักษณะอิมพีแดนซ์ของสายเคเบิลตรงกับสายเคเบิลที่ใช้งานจริง. แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ขั้วต่อมอเตอร์วัดด้วยโพรบดิฟเฟอเรนเชียลแบนด์วิธสูง (≥100เมกะเฮิรตซ์) ที่ความยาวสายเคเบิลแต่ละเส้นในขณะที่อินเวอร์เตอร์สลับที่พิกัด dV/dt. อัตราส่วนของแรงดันเทอร์มินัลสูงสุดต่อแรงดันเอาท์พุตของอินเวอร์เตอร์จะให้ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน ซึ่งเป็นผลลัพธ์ข้างต้น 1.8 บ่งชี้ว่าไม่ตรงกันมากเกินไปซึ่งจำเป็นต้องมีการยุติสายเคเบิล, ตัวกรอง dV/dt, หรือการออกแบบระดับการทนทานต่อไฟกระชากของมอเตอร์ใหม่.
ตัวชี้วัดที่สำคัญ: แรงดันไฟฟฉาปลายสายสูงสุดที่แตจละความยาวสายเคเบิล (วี), ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน, dV/dt ที่ขั้วต่อมอเตอร์ (กิโลโวลต์/ไมโครวินาที), แอมพลิจูดแรงดันไฟฟ้าโหมดทั่วไป (วี).
5. การทดสอบแรงกระตุ้นแบบเลี้ยวต่อเลี้ยวสำหรับการควบคุมคุณภาพการผลิต
ในการทดสอบสายการผลิต, คอยล์แต่ละตัวได้รับการทดสอบด้วยเครื่องกำเนิดไฟกระชากพลังงานต่ำ (เครื่องทดสอบประเภท Ecotest) ที่ใช้อิมพัลส์ 500–2,000 V ไปที่คอยล์หนึ่งตัวในขณะที่ตรวจสอบรูปคลื่นการสลายตัวของการสั่น. คอยล์ที่มีอินเทอร์เทิร์นชอร์ตจะสร้างกราฟแดมป์ที่แตกต่างไปจากคอยล์ปกติ — ความถี่เรโซแนนซ์จะเปลี่ยนไปและการสลายจะเร็วขึ้น. ขีดจำกัดการควบคุมกระบวนการทางสถิติถูกกำหนดจากการวัดพื้นฐานแบบคอยล์ที่ดี. การทดสอบนี้ใช้เวลาไม่ถึงหนึ่งวินาทีต่อคอยล์ และเข้ากันได้กับการรวมสายการผลิตอัตโนมัติเต็มรูปแบบ.
ตัวชี้วัดที่สำคัญ: ส่วนเบี่ยงเบนความถี่เรโซแนนซ์จากพื้นฐาน (%), สัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ของรูปคลื่นเทียบกับการอ้างอิง, ความไวในการตรวจจับการเลี้ยวสั้น (1 เทิร์นที่สั้นลงในจำนวนเทิร์นทั้งหมด N).
การสร้างกลยุทธ์ฉนวนมอเตอร์สำหรับการใช้งาน SiC
ไม่มีการทดสอบแรงดันไฟกระชากเพียงครั้งเดียวที่จะมาแทนที่การทดสอบอื่นๆ ทั้งหมด. โปรแกรมคุณสมบัติฉนวนที่สมบูรณ์สำหรับมอเตอร์ที่ใช้กับอินเวอร์เตอร์ SiC รวมกัน: ไออีซี 60034-18-41 ไฟกระชากทนต่อคุณสมบัติขั้นพื้นฐาน, การทดสอบ PDIV เพื่อยืนยันส่วนต่างเหนือ dV/dt ปฏิบัติการจริง, การทดสอบความทนทาน dV/dt เพื่อตรวจสอบอายุการใช้งานที่ความถี่การเปลี่ยนเป้าหมาย, และการทดสอบแรงกระตุ้นแบบเลี้ยวต่อเลี้ยวในทุกหน่วยการผลิตเพื่อเป็นประตูคุณภาพการผลิต.
แท่นทดสอบจะต้องรองรับช่วงแรงดันไฟฟ้าเต็ม — การวัด PDIV แรงดันต่ำที่ 100 V เพื่อทนต่อการทดสอบที่ไฟกระชาก 3,000+ V — ด้วยความเร็วในการเปลี่ยนสูงสุด 10 กิโลโวลต์/ไมโครวินาที, และต้องปล่อยพลังงานที่เก็บไว้อย่างปลอดภัยระหว่างการทดสอบ. อินเตอร์ล็อคนิรภัยไฟฟ้าแรงสูง, ระบบอิเล็กทรอนิกส์การตรวจจับ PD ที่ปรับเทียบแล้ว, และซอฟต์แวร์เปรียบเทียบรูปคลื่นอัตโนมัติเป็นข้อกำหนดด้านการทำงานที่แยกแยะสถานีทดสอบไฟกระชากที่สามารถผลิตได้ออกจากเครื่องกำเนิดอิมพัลส์ในห้องปฏิบัติการ.
หากคุณมีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดของระบบขดลวดมอเตอร์เพื่อใช้กับอินเวอร์เตอร์ SiC, หรือจำเป็นต้องอัพเกรดการทดสอบฉนวนในสายการผลิตของคุณจาก AC hipot แบบธรรมดาไปเป็นการทดสอบที่รองรับไฟกระชาก, พูดคุยกับทีมวิศวกรของเรา เกี่ยวกับการกำหนดค่าการทดสอบที่เหมาะสมสำหรับระดับแรงดันไฟฟ้าและปริมาณการผลิตของคุณ.
พูดคุยกับวิศวกร
ต้องการความช่วยเหลือในการเลือกอุปกรณ์ทดสอบ?
บอกประเภทมอเตอร์ของคุณให้เราทราบ, ข้อกำหนดด้านช่วงกำลังและการทดสอบ — เราจะแนะนำการกำหนดค่าแท่นทดสอบที่เหมาะสมภายใน 24 ชั่วโมง.
