如今的功率半导体模块由于在更高电压下运行且开关速度更快，面临着更严苛的条件和更大的热应力。局部放电测试仍然是一种主要的鉴定方法，但它最初是为传统的体绝缘设计的，而非现代模块中紧凑且快速开关的结构。因此，IEC局部放电测试能否准确预测逆变器系统的使用寿命尚不清楚。

图1

理解功率模块中的局部放电

局部放电是功率模块面临的一个主要可靠性挑战，并且可能难以理解。在传统绝缘系统中，局部放电通常意味着故障临近，但在功率模块中，局部放电更像是一个逐渐劣化的过程。损害在特定区域累积，主要受现代封装材料和设计的影响，而不仅仅是绝缘厚度。

从传统的体绝缘到现代嵌入式绝缘的转变，改变了高压系统的设计。传统设备使用大量的、均匀的绝缘体积，如油、空气或固体材料。相比之下，功率模块采用紧凑的层状绝缘。它们依赖硅凝胶等材料进行电气绝缘和应力释放，环氧树脂模塑料提供强度和防护，以及陶瓷金属化DBC界面同时实现绝缘和热管理。在这些系统中，绝缘间隙通常只有几毫米宽，并且由于尖锐的金属边缘、材料接合处和键合线，电场分布不均匀。

局部放电通常发生在微小的 voids(空隙)、材料相接的边缘或三重点，而不是大的空腔中。每次放电事件的能量通常很小，标准测量系统难以检测到，并且从外部测量的电荷可能无法反映内部发生的实际损害。因此，在这些系统中，局部放电不被视为大的、明显的放电，而是被视为在高应力点反复发生、难以直接观察到的小型放电。

低能量局部放电导致的失效模式

如前所述，局部放电不会导致突然失效，而是逐渐影响功率模块。与体绝缘系统不同，功率模块绝缘因化学降解、碳化轨迹和材料侵蚀而缓慢失效。低能量局部放电会产生臭氧和自由基等活性物质，这些物质会分解聚合物链，随时间推移降低其弹性、介电强度和粘附性。重复放电也可能使硅凝胶或环氧树脂表面碳化，形成导电通路，从而集中局部电场并加速老化。

IEC局部放电标准的目的

IEC 60270局部放电测试标准旨在为高压绝缘系统中局部放电的检测和测量提供统一且可比较的方法。该标准的主要目标是在受控电气条件下确保测量的一致性，而非预测特定的失效机制。这一区别对于将IEC 60270的结果应用于功率模块至关重要。

该标准假设了相当大的介电体积，其中放电现象发生在相对较大的绝缘材料内，例如开关设备组件中的含气空隙或油浸变压器绝缘。在这些应用中，局部放电事件产生足够的能量用于外部检测，且放电幅度与绝缘劣化进程密切相关。

对于准均匀电场，IEC 60270测试方法假设绝缘内的电场分布相对均匀，没有显著的几何形状引起的电场增强。这使得视在电荷测量可以作为内部放电强度的有效指标。该标准的规程基于在工频(50或60 Hz)下施加正弦电压，从而产生逐渐变化的电场和一致的相位分辨局部放电模式。该方法假定放电特性主要受电压幅值影响，而非快速瞬态事件，从而确保了可重复性。

正弦测试与PWM现实

IEC局部放电测试用于功率模块的一个显著局限性在于所使用的电压波形。局部放电行为不仅受峰值电压影响，还受电场上升率(dv/dt)、内部场分布和重复频率的影响。这些参数在受控的IEC测试环境和实际逆变器运行之间存在显著差异。

根据IEC 60270标准，局部放电测量通常使用缓慢变化的电压应力进行，最常见的是50或60 Hz的正弦交流激励。这种方法导致电场在毫秒时间内逐渐建立，如果发生局部放电，通常出现在电压峰值附近，且特性稳定。由于电压波形是正弦的，即使测试电压升高，相关的dv/dt也固有地保持在较低水平。

有时也使用平滑的直流斜坡，特别是为了评估局部放电起始电压(PDIV)，此时施加的应力准静态增加以最小化瞬态效应。

图2

功率模块中逆变器驱动的电应力

在实际的逆变器应用中，功率模块承受的应力条件与标准局部放电测试中假设的条件根本不同。现代基于IGBT和SIC的转换器不会产生缓慢变化的电场，而是产生上升速率在10到100 kV每微秒之间的快速电压跳变。

即使峰值电压低于正弦测试期间观察到的局部放电起始阈值，电场的快速增加也可能引发局部放电。在这些情况下，放电起始主要由与dv/dt相关的机制控制，包括快速电荷注入、电容电流位移以及材料界面处的瞬态电场增强，而不仅仅由稳态介电强度决定。

逆变器运行也可能由于模块封装、直流母线和栅极驱动器电路中的寄生电感和电容而引起电压过冲和振铃。这些瞬态现象会暂时抬高标称直流母线电压，使内部绝缘承受超过IEC交流鉴定期间所遇到的应力。因此，在正弦测试下未显示局部放电的模块，在开关事件期间仍可能经历局部放电。

此外，PWM激励施加了与正弦波形显著不同的不对称和重复性电压应力模式。逆变器波形的高度重复和单极性特性导致绝缘界面处电场分布不均匀和局部空间电荷积累。随着时间的推移，这增加了在交流测试期间保持不活跃的区域发生局部放电的可能性，进一步削弱了IEC局部放电结果与实际逆变器驱动可靠性之间的关联。

微尺度局部放电的灵敏度限制

将IEC局部放电测量用于功率模块的一个不太明显的挑战是基于视在电荷检测的灵敏度限制。IEC 60270旨在检测大型绝缘系统中局部放电事件期间的足够能量，使其易于与背景噪声分离。但在紧凑型功率模块中，放电发生的物理尺度和能量规模都要小得多，这使得它们更难被检测到。

IEC测量通过测量测试电路中电流脉冲产生的视在电荷来确定局部放电。在实际测试设置中，可检测到的最小电荷取决于多种因素，例如耦合电容的灵敏度、测量阻抗、数据采集系统以及降低外部电磁干扰的需求。为了保持测量稳定性，采用了噪声滤波和带宽限制，这设定了可检测的下限。虽然这对体绝缘系统有效，但它使得检测功率模块嵌入式绝缘中经常发生的小型、短时放电变得更加困难。

累积性局部放电老化与"通过/失败"思维

IEC局部放电测试标准与实际功率模块可靠性之间的主要区别在于合格判定( acceptance )的定义方式。IEC鉴定主要采用事件驱动的"通过/失败"模型，即在设定电压下的局部放电测试根据测得的视在电荷是否低于设定限值来决定模块是否通过。这种方法将局部放电视为异常或孤立事件，并且更关注每次放电的强度而非发生频率。

在功率模块中，局部放电损害遵循一个明确的模式。在其使用寿命期间，这些模块在逆变器条件下经历数十亿次电压开关循环，即使是远低于传统阈值的微小放电事件，如果频繁发生，也可能造成显著损害。

在此，局部放电的发生频率是老化的主要因素，它缓慢地磨损聚合物绝缘并改变局部电场，而不会产生易于检测到的大幅放电。这意味着绝缘可能在标准测试期间未达到灾难性放电水平的情况下已经严重老化，这揭示了"通过/失败"的局部放电标准对于逆变器驱动的功率模块的一个关键局限性。

IEC局部放电标准对功率模块的现有价值

尽管存在局限性，IEC局部放电标准在按其预期用途使用时仍能提供实际价值。IEC局部放电测试擅长发现主要的绝缘问题，如大的空隙、分层或可能威胁可靠性的制造缺陷。在制造过程中，局部放电测量是一种有用的质量控制工具，并且该标准在用于检查高压模块的进货检验时效果良好。它提供了一种一致的方法来判断绝缘质量，并在受控条件下比较不同的模块设计。

然而，IEC局部放电测试不应被视为衡量逆变器驱动可靠性或长期绝缘性能的最终标准。为了真实评估实际条件下的绝缘强度，工程师需要超越传统的IEC"通过/失败"方法，采用考虑快速dv/dt应力、累积老化以及瞬态过电压的新型局部放电测试方法。结合使用这些现代方法有助于弥合实验室测试与实际功率模块可靠性之间的差距。