I moduli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) sono largamente utilizzati negli alimentatori e driver di motori di grande potenza. Tensioni di lavoro intorno ai 1.000V non sono inusuali per operare alle alte tensioni richieste da potenze elevate.
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Figura 1
Trasformatore di isolamento indipendente
Un trasformatore di isolamento indipendente fornisce la polarizzazione Vgs tra gate e source dei due IGBT per mantenere la separazione temporale della sequenza di conduzione.
Quando questo trasformatore è in funzione, un segnale PWM ad alta tensione e alta frequenza transita tra primario e secondario (Fig. 1). Molti utenti e costruttori sottovalutano la differenza tra la rottura del filo elettrico e l’innesco delle scariche parziali di tensione tra i fili (PDIV, partial discharge inception voltage). Ciò accade perché di solito i trasformatori non hanno sufficiente isolamento in quanto non vengono adeguatamente progettati e testati su questo aspetto. A sua volta, a causa di picchi di alta tensione, questo tipo di guasto danneggia gli IGBT o causa reazioni anomale nei circuiti digitali.
Valori della tensione del campo elettrico
Se la differenza di tensione tra primario e secondario del trasformatore è un’onda quadra con una tensione di picco di 1.000V, i requisiti di qualità di progetto non certificati e generalmente usati sono tali da sostenere tensioni >2.000V. Quindi, utilizzando un filo con una tensione di rottura > 3.000 V per l’avvolgimento, il filo dovrebbe resistere ad una tensione di 6.000 V tra i lati adiacenti, corretto?
Figura 2
La risposta è che potrebbe essere in grado di resistere a 6.000 V per un minuto, ma potrebbe comunque guastarsi dopo un periodo di lavoro reale (es. onda quadra da 1.000 V). Il rivestimento isolante ha quasi sempre delle imperfezioni con delle piccolissime bolle d’aria al suo interno, questo causa che il campo elettrico all’interno della bolla è molto più alto che nella parte isolante. Il motivo è che la permeabilità dell’aria è molto inferiore a quella dell’isolante. Dalla ricerca e dalle curve di Paschen è provato che se la tensione del campo elettrico raggiunge un valore >350Vpk, a 1 atm di pressione, per piccole distanze (7-10um) avviene l’innesco della scarica parziale. Analogamente per le parti a contatto esterne. Con il proseguimento delle scariche parziali (PD) la carbonizzazione graduale porta al cortocircuito (fare riferimento alla Figura 2). Oppure, ancora prima che il trasformatore venga distrutto, è probabile che la PD provochi interferenze anomale causando il malfunzionamento del circuito digitale.
La Figura 3 mostra un esempio di malfunzionamento causato da un trasformatore di controllo di IGBT ad alta potenza. Il trasformatore anomalo emette chiaramente luce a causa dell’effetto corona delle scariche durante l’uso, sebbene il trasformatore non sia stato giudicato anomalo nel test generico o nel test finale dell’alimentatore. Tuttavia, durante l’uso effettivo, malfunzionamenti o anomalie nel modulo IGBT o nel sistema digitale spesso provocano problemi di qualità non facili da identificare, che richiedono anche la sostituzione o la revisione del progetto del trasformatore.
Figura 3
Test di tenuta della tensione
Normalmente, nei trasformatori industriali viene eseguito solo un test di tenuta della tensione in base alle specifiche e non viene fatta la verifica PD o flashover. Di conseguenza, tali problemi avvengono di sovente negli alimentatori utilizzati nei prodotti elettrici ed elettronici. Per evitare problemi di PD o flashover, è necessario assicurarsi che non vi sia PD continuo nelle normali condizioni di lavoro. Le normative pertinenti (ad es. IEC60747-5-5) generalmente suggeriscono che in produzione dovrebbe essere eseguito un test (per pochi secondi) 1,875 volte il potenziale di utilizzo più alto possibile senza che vi siano PD (ad es. PD <15pC) per garantire la qualità del prodotto nel lungo termine.
Ad esempio per un picco di 1.000 V, ovvero circa 1.325 kVrms a 60 Hz (1.875 kV_picco), un PD <15 pC sarebbe essere un rilevamento adatto. (Si noti che la tensione di innesco della scarica parziale misurata del trasformatore in questo esempio è solo di circa 400 V ac, che è molto al di sotto della qualità prevista.)
La migliore soluzione per il rilevamento delle anomalie PD nei prodotti ad alta tensione consiste nell’utilizzare un “Partial Discharge Tester”, questi strumenti consentono di verificare la qualità e l’affidabilità nel tempo dei tuoi prodotti.
La serie Chroma 19501 fornisce test di tensione di tenuta CA (10kVac) e test di scarica parziale (1pC~2.000pC).
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