1. 概要
IGBT作為大功率電力電子器件廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備中。為了滿足安全要求，這些設(shè)備在電氣設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中要遵循相應(yīng)的規(guī)范。耐壓測試是對(duì)安全設(shè)計(jì)最為重要的檢測和評(píng)估手段，又被稱為高壓測試，隔離測試，抗電強(qiáng)度測試。那么，針對(duì)不同應(yīng)用的IGBT裝置，測試電壓大小該如何確定？測試時(shí)間多長？使用交流電壓測試好還是直流電壓測試好？帶著這些問題，我們一同了解下該如何實(shí)施IGBT裝置的絕緣耐壓測試。
1.1 耐壓型式試驗(yàn)
耐壓型式試驗(yàn)用來驗(yàn)證安全間距和絕緣是否具備足夠的抗電強(qiáng)度來承受可能出現(xiàn)的過電壓。通過耐壓型式試驗(yàn)還可以檢驗(yàn)設(shè)備在整個(gè)生命周期內(nèi)是否可以安全工作。在測試中，設(shè)備在整個(gè)生命周期承受的電氣應(yīng)力被等效為短時(shí)間內(nèi)施加的高壓，經(jīng)驗(yàn)公式如下：
Uoperating voltage: 工作電壓
Tlifetime: 設(shè)備壽命
Utest voltage: 測試電壓
Ttest time: 測試持續(xù)時(shí)間
在一些安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中，上面的經(jīng)驗(yàn)公式被用來確定耐壓型式試驗(yàn)的測試條件（指數(shù)n=6）。一般會(huì)以設(shè)備預(yù)期壽命20年來計(jì)算對(duì)應(yīng)的測試電壓。以此計(jì)算，一臺(tái)工作電壓為230V的設(shè)備的耐壓型式試驗(yàn)測試條件應(yīng)為3400V，持續(xù)一分鐘。
需要注意的是，經(jīng)過耐壓型式試驗(yàn)測試過的設(shè)備絕緣會(huì)完全老化，不能再次使用。因此被測樣品應(yīng)該在測試后做報(bào)廢處理。
1.2 常規(guī)耐壓測試（出廠耐壓測試）
與型式試驗(yàn)不同，常規(guī)耐壓測試的目的是確認(rèn)設(shè)備的安全間距和絕緣沒有在生產(chǎn)過程中降低或損傷，篩選出絕緣性能有缺陷的材料。為了確保所有絕緣相關(guān)的生產(chǎn)失效被檢出，耐壓測試應(yīng)該被安排在設(shè)備的所有裝配流程完成之后。
常規(guī)耐壓測試的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該既可以檢出安全絕緣相關(guān)的失效，同時(shí)又最小程度的造成設(shè)備的絕緣老化?；谡鹿?jié)1.1的經(jīng)驗(yàn)公式，典型的常規(guī)耐壓測試對(duì)于受檢設(shè)備的壽命影響應(yīng)該小于0.000001%。
因?yàn)槟蛪簻y試會(huì)對(duì)絕緣性能造成降級(jí)。當(dāng)必須要重復(fù)進(jìn)行耐壓測試時(shí)，第二次測試的電壓幅值需要適當(dāng)降低，通常安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)給出的建議是第一次測試幅值的80%。
雖然有些標(biāo)準(zhǔn)中給出的測試時(shí)間較長，如60秒，但典型的常規(guī)耐壓測試持續(xù)時(shí)間是1秒或者3秒。對(duì)于半導(dǎo)體器件UL1557中有建議通過增加測試電壓的方式來縮短測試持續(xù)時(shí)間。比如額定電壓測試60秒可以等效為120%額定電壓測試1秒。賽米控產(chǎn)品的耐壓測試條件通常會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出（Visol）。如果標(biāo)注的測試持續(xù)時(shí)間為5秒或60秒，則為耐壓型式試驗(yàn)條件；如果標(biāo)注的測試持續(xù)時(shí)間為1秒或3秒，則為常規(guī)耐壓測試條件。
2. 耐壓測試
2.1 測試設(shè)備
市面上有很多品牌的耐壓測試設(shè)備，主要區(qū)別在于：
最高施加電壓能力
最大施加電流能力
交流或直流電壓選項(xiàng)
這些設(shè)備基本都可以滿足EN61180中對(duì)耐壓測試設(shè)備相關(guān)的要求。除了穩(wěn)定的電壓質(zhì)量，耐壓測試設(shè)備的短路輸出電流能力要高于200毫安。UL1557標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，500VA的變壓器應(yīng)該足以維持測試要求的電壓。
2.2 測試條件
一般情況下，耐壓測試采用50Hz或60Hz的交流電壓進(jìn)行測試。如果被測電路中含有電容，建議以等同于標(biāo)注交流電壓峰值的直流電壓進(jìn)行測試。值得注意的是，由于被測絕緣物質(zhì)的抗電特性不同，直流電壓并不能完全等效于交流電壓。測試電壓的極性對(duì)閃絡(luò)電壓會(huì)有影響，所以直流電壓測試應(yīng)變換正負(fù)極測試兩次。帶有較大面積銅底板的半導(dǎo)體模塊的陶瓷基板兩面間具有相對(duì)大的寄生電容（可高達(dá)10uF）,因此建議使用直流電壓進(jìn)行耐壓測試。在出現(xiàn)故障時(shí)，直流電流對(duì)于人心臟損傷風(fēng)險(xiǎn)更低，出于人身安全的考慮，在生產(chǎn)線上建議使用直流電壓進(jìn)行耐壓測試。另外，按照安規(guī)規(guī)定，交流耐壓測試的漏電流小于3毫安時(shí)可以不需采取額外的安全措施。而對(duì)于直流耐壓測試，漏電流的要求是低于12毫安無需采取額外的安全措施。如果漏電流高于這些規(guī)定值，很多國家都強(qiáng)制要求測試在特制測試房或有警示燈提示的密閉空間進(jìn)行。
有些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了耐壓測試的環(huán)境條件，典型條件為環(huán)境溫度為15°C到35°C，相對(duì)濕度45%到75%，大氣壓在860hPa到1060hPa之間。
2.3 被測設(shè)備
耐壓測試的被測設(shè)備可能包含彼此電氣隔離的幾部分電路，這些電路內(nèi)或電路之間的絕緣有以下分類：
功能絕緣：在電路內(nèi)部分隔了不同電位，但是不是安全相關(guān)的隔離；
基本絕緣：隔離了與電網(wǎng)相連的電路和接地的裸露部件。因?yàn)槁懵恫考慕拥?，基本絕緣擊穿后不會(huì)導(dǎo)致人身安全受損；
保護(hù)性（雙重/加強(qiáng)）絕緣：隔離了與電網(wǎng)相連的電路和不接地的裸露部件或控制電路。這類絕緣擊穿后會(huì)使得操作人員可能接觸的控制電路帶有電網(wǎng)電位，具有致命的危險(xiǎn)。
功能絕緣不需要進(jìn)行耐壓測試，只有與安全性相關(guān)的基本絕緣和加強(qiáng)絕緣需要通過耐壓測試來驗(yàn)證隔離性能。
2.4 測試流程
大部分電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行耐壓測試時(shí)滿足以下條件：
被測電路（設(shè)備）的外部端子要連接在一起；
設(shè)備中的斷路器（接觸器）應(yīng)該處于閉合狀態(tài)或被旁路；
電壓阻斷類器件（如整流二極管）的端子要連接在一起。
下圖展示了一臺(tái)變流器的耐壓測試連接示例：
圖1 耐壓測試中變流器所有端子的連接示例
如果被測設(shè)備包含相互間具有基本絕緣或是雙重絕緣的幾部分電路，那么就需要對(duì)每部分絕緣都進(jìn)行耐壓測試。耐壓測試電壓等級(jí)相同的電路可以被連接在一起測試。由于測試要求的電壓不同，耐壓型式試驗(yàn)和常規(guī)耐壓測試的電路連接可能會(huì)有所不同。
下圖是為了減少耐壓測試次數(shù)，對(duì)一臺(tái)變流器的不同功能電路端子連接示例：
圖2 減少耐壓測試次數(shù)的變流器功能電路連接示例
示例中，連接到電網(wǎng)的功率部分對(duì)地具有基本絕緣能力。標(biāo)綠色部分是驅(qū)動(dòng)控制電路，其與功率部分具有加強(qiáng)絕緣隔離，驅(qū)動(dòng)控制電路對(duì)地電壓低于50V。如果該設(shè)備的基本絕緣和加強(qiáng)絕緣測試電壓和持續(xù)時(shí)間相同，則可以將驅(qū)動(dòng)控制部分與地連接在一起對(duì)功率部分做耐壓測試；如果測試電壓不同，這三部分電路（地，功率部分，驅(qū)動(dòng)控制部分）就需要分別進(jìn)行耐壓測試。
IGBT功率模塊的溫度傳感器通常對(duì)功率部分只有功能絕緣能力。這意味著耐壓測試時(shí)溫度傳感器應(yīng)該與功率部分連接在一起，但大部分的應(yīng)用場景里該溫度傳感器是與驅(qū)動(dòng)控制部分電路連接在一起的。即便這種連接通過了耐壓測試，也并不意味著溫度傳感器與功率部分的絕緣滿足加強(qiáng)絕緣。
如果外部端子沒有按照要求相互短接在一起，半導(dǎo)體器件有可能在耐壓測試故障時(shí)損壞。耐壓測試的電壓等級(jí)通常會(huì)比半導(dǎo)體器件的阻斷電壓高，一旦測試中某處直流電壓母線上絕緣失效且測試電壓是連接在交流端子上，則本例中全部的測試電壓會(huì)施加在二極管上導(dǎo)致其電壓擊穿，如下圖所示。
圖3 耐壓測試中絕緣失效導(dǎo)致半導(dǎo)體器件過壓的示例
在進(jìn)行耐壓測試之前，設(shè)備中的浪涌保護(hù)器件必須被斷開。如果施加測試電壓的設(shè)備端子間并聯(lián)了大容量的電容，進(jìn)行交流耐壓測試可能會(huì)很困難，甚至是不可能完成的。因?yàn)槟蛪簻y試設(shè)備對(duì)電容的充電電流可能會(huì)超過設(shè)定的允許漏電流閾值。對(duì)于這種情況，可以在進(jìn)行耐壓測試前斷開并聯(lián)電容。如果無法斷開電容，建議使用直流電壓進(jìn)行測試。
表1中給出了部分功率電子相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)耐壓測試的要求：
電氣傳動(dòng)設(shè)備[3][23]
不間斷電源（UPS）[13]
光伏電源系統(tǒng)[14]
動(dòng)力裝置[7][10][15][16][22]
鐵路應(yīng)用[6][17]
信息技術(shù)[18]
功率半導(dǎo)體[8][20]
表1中數(shù)據(jù)對(duì)1000V以下的基本絕緣有效。
表1 不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的耐壓測試條件
2.5 測試電壓幅值
耐壓測試的電壓幅值與被測設(shè)備的工作電壓相關(guān)?；诖嗽?，設(shè)備與電網(wǎng)間的接法就至關(guān)重要。在星形接法中（TN），相電壓小于線電壓，因此設(shè)備絕緣的電壓應(yīng)力要比同樣電壓等級(jí)的三角形接法（相電壓與線電壓相等）要小。
表2給出了數(shù)個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于星型接法設(shè)備基本絕緣的測試電壓。對(duì)于常見的典型電網(wǎng)電壓，分別列出了型式試驗(yàn)和常規(guī)測試適用的測試電壓幅值。
表2 不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于星型接法設(shè)備的基本絕緣規(guī)定的交流電壓測試值
不同標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測試電壓差別很大（最多差三倍）。半導(dǎo)體模塊生產(chǎn)廠家通常會(huì)在模塊的絕緣設(shè)計(jì)時(shí)考慮滿足所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的最高要求。
表3給出了數(shù)個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于星型接法設(shè)備保護(hù)性絕緣的測試電壓。對(duì)于常見的典型電網(wǎng)電壓，分別列出了型式試驗(yàn)和常規(guī)測試適用的測試電壓幅值。
表3 不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于星型接法設(shè)備的保護(hù)性絕緣規(guī)定的交流電壓測試值
半導(dǎo)體模塊本身不具備安全隔離功能，因此上表給出的電壓只適用于使用了半導(dǎo)體模塊的設(shè)備測試。測試電壓必須持續(xù)增加到最大值且維持一段時(shí)間。某些標(biāo)準(zhǔn)定義了維持時(shí)間，如最短5秒。
2.6 測試失效
不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于耐壓測試中失效模式的描述大致如下：
電氣擊穿：受測絕緣或隔離在測試中出現(xiàn)失效導(dǎo)致放電電流直接通過，兩端測試電極電壓接近于零；
破壞性放電：介質(zhì)擊穿后形成的電弧通路；
跳火：氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)中發(fā)生的破壞性放電；
閃絡(luò)：氣態(tài)或液態(tài)媒介中的固態(tài)介質(zhì)表面發(fā)生的破壞性放電；
穿刺：固態(tài)介質(zhì)發(fā)生的破壞性放電。
不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)耐壓測試失效的定義并不一致，有些甚至相互沖突。一般來說滿足以下條件就認(rèn)為通過耐壓測試：
沒有破壞性放電發(fā)生，漏電流不超過規(guī)定值；
沒有擊穿或絕緣擊穿發(fā)生；
測試電流沒有以不受控方式增長。電暈放電或單次的瞬時(shí)閃絡(luò)不認(rèn)為是絕緣擊穿。
3 耐壓測試與其他隔離測試的區(qū)別
3.1 脈沖電壓測試
用來模擬大氣中出現(xiàn)的過壓，包括由于設(shè)備開關(guān)動(dòng)作引起的過壓。通常用來驗(yàn)證器件的安全間距或固態(tài)絕緣具有足夠的抗電強(qiáng)度。這種測試的優(yōu)點(diǎn)是測試時(shí)間非常短，施加在絕緣上的電氣應(yīng)力很小，不會(huì)造成被測器件的絕緣老化。
固態(tài)絕緣的抗電特性與安全間距不同，隨著施加電氣應(yīng)力時(shí)間增加，固態(tài)絕緣的抗電能力會(huì)顯著下降。因此，脈沖電壓測試不能夠替代耐壓測試來驗(yàn)證固態(tài)絕緣的抗電能力。
3.2 局部放電測試
確認(rèn)器件中的固態(tài)絕緣在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)沒有局部放電現(xiàn)象。在安全間隙中未引起擊穿的局部放電可以忽略。局部放電測試施加電壓通常會(huì)低于大氣中可能出現(xiàn)的過壓幅值。
3.3 絕緣電阻測試
被用來評(píng)估設(shè)備的絕緣狀況。一般在設(shè)備的日常維護(hù)中使用此方法。通過一段時(shí)間（數(shù)年）的監(jiān)測記錄，前后測試結(jié)果的比較用來評(píng)估設(shè)備絕緣是否有老化。由于端子間電壓很低，絕緣電阻測試設(shè)備無法用來評(píng)估設(shè)備中安全間距的降級(jí)。