Garantindo a confiabilidade do IGBT: um guia para testes de descarga parcial e projeto de isolamento

25 de agosto de 202512 Visualizações 9 min read

O Assassino Silencioso: Uma Análise Profunda dos Testes de Descarga Parcial de IGBT e Otimização do Projeto de Isolamento

No mundo da eletrônica de alta potência, engenheiros concentram-se intensamente em métricas como perdas por condução, velocidade de comutação e resistência térmica. No entanto, um mecanismo de falha silencioso e insidioso muitas vezes passa despercebido até que seja tarde demais: a Descarga Parcial (DP). Para sistemas que operam em tensões médias a altas — como turbinas eólicas, tração ferroviária e acionamentos de motores industriais — a DP é uma das principais causas de degradação do isolamento a longo prazo, culminando em falhas inesperadas e frequentemente catastróficas do dispositivo. Compreender, testar e projetar contra a DP não é mais um exercício acadêmico; é um requisito crítico para a construção de sistemas de energia robustos e confiáveis.

À medida que as tensões do sistema ultrapassam 1700 V e atingem as classes de 3.3 kV, 4.5 kV e 6.5 kV, o estresse elétrico no isolamento interno de um Módulo IGBT torna-se imenso. Este guia oferece uma visão prática e focada em engenharia sobre o que é descarga parcial, como ela é testada e, principalmente, como otimizar o projeto de isolamento para garantir a confiabilidade a longo prazo dos seus sistemas de conversão de energia.

Compreendendo a descarga parcial (DP) no contexto de um módulo IGBT

O que é descarga parcial?

Imagine uma descarga parcial como pequenos raios localizados ocorrendo dentro do sistema de isolamento de um módulo IGBT. Trata-se de uma ruptura dielétrica localizada de uma pequena porção de um sistema de isolamento elétrico sólido ou fluido sob alta tensão, que não conecta o espaço entre os dois condutores. Embora um único evento de DP tenha baixa energia, o efeito cumulativo de milhares ou milhões desses eventos é como um cinzel destruindo lentamente a integridade do isolamento. Essas descargas produzem ozônio, ácido nítrico e outros subprodutos corrosivos que atacam quimicamente os materiais isolantes (principalmente gel de silicone), levando à fragilização, rachaduras e, por fim, à falha dielétrica completa.

Onde ocorre a DP dentro de um módulo IGBT?

Um módulo IGBT é um conjunto complexo de diferentes materiais, cada um com uma constante dielétrica única. Isso cria interfaces onde os campos elétricos podem se concentrar e iniciar a DP. Os locais mais comuns para o início da DP são:

Vazios no Gel de Silicone: O culpado mais frequente. Bolhas de ar microscópicas presas no gel de silicone durante a fabricação são os principais locais para DP. Como a rigidez dielétrica do ar é muito menor do que a do gel de silicone, o campo elétrico se concentra no vazio, fazendo com que o gás preso se ionize e descarregue.
Interface gel-substrato: A delaminação ou má adesão entre o gel de silicone e o substrato cerâmico de cobre ligado diretamente (DBC) ou de metal brasado ativo (AMB) pode criar vazios finos e planos onde pode ocorrer DP.
Interfaces de terminais e alojamentos: Os espaços entre os terminais de alta tensão e o invólucro de plástico, ou entre o gel e as paredes internas do invólucro, são suscetíveis à DP se não forem preenchidos e projetados adequadamente.
Contaminantes de superfície: Quaisquer partículas estranhas ou umidade na superfície do substrato cerâmico podem atuar como um ponto de início de DP.

Esses defeitos podem ser introduzidos durante a fabricação ou se desenvolver ao longo da vida útil do módulo devido a ciclos térmicos e estresse mecânico, o que pode fazer com que os materiais se expandam e contraiam em taxas diferentes, criando novos vazios ou piorando os existentes.

Noções básicas sobre testes de descarga parcial

Como a DP é um precursor da falha total, testá-la é uma verificação crucial de qualidade e confiabilidade. O objetivo não é apenas verificar se a DP ocorre, mas determinar a tensão na qual ela inicia e para, dando aos engenheiros uma visão clara da saúde e da margem operacional do sistema de isolamento.

Principais métricas de PD: PDIV e PDEV

Dois parâmetros são fundamentais nos testes de PD:

Tensão inicial de descarga parcial (PDIV): Esta é a tensão mínima aplicada na qual a atividade de descarga parcial se inicia e se torna consistentemente detectável. Um PDIV mais alto indica um sistema de isolamento melhor e mais robusto, com menos defeitos.
Tensão de extinção por descarga parcial (PDEV): Esta é a tensão na qual a atividade de DP cessa à medida que a tensão aplicada diminui acima da PDIV. Em um sistema de isolamento saudável, a PDEV está muito próxima da PDIV. Uma PDEV significativamente menor que a PDIV é um grande sinal de alerta, sugerindo a presença de defeitos significativos que sustentam a descarga mesmo com a redução do estresse de tensão.

Para um sistema de alta confiabilidade, o PDIV especificado deve estar confortavelmente acima da tensão operacional contínua máxima da aplicação, incluindo quaisquer picos transitórios ou ultrapassagens esperados.

Métodos comuns de teste de PD para módulos IGBT

Os testes são normalmente realizados de acordo com normas como a IEC 61287 para módulos de potência. Os dois métodos principais são testes CA e CC.

Método de Teste	Descrição	Diferenciais	Desvantagens
Teste de descarga parcial CA	O módulo é submetido a uma rampa de tensão CA de 50/60 Hz. Um capacitor de acoplamento e uma impedância de medição são usados para detectar os pulsos de corrente de alta frequência gerados por cada evento de DP.	– Simula de perto as condições operacionais do mundo real para aplicações CA (por exemplo, acionamentos, inversores conectados à rede). – Método padronizado e bem estabelecido. – Sensível à detecção de vazios, que são o defeito mais comum.	– O teste em si pode ser destrutivo se não for controlado adequadamente. – Requer equipamento de teste CA especializado de alta tensão. – Pode não representar totalmente o estresse em aplicações CC puras.
Teste de descarga parcial CC	Uma tensão CC é aplicada e aumentada. A detecção de DP é mais desafiadora, pois ocorre apenas durante a rampa de tensão ou em locais de carga preexistentes.	– Menos estressante para o sistema de isolamento em comparação ao CA. – Útil para aplicações com alta polarização CC, como transmissão HVDC. – Às vezes, pode identificar diferentes tipos de defeitos dos testes de CA.	– Menos sensível a pequenos vazios. – A atividade da DP é transitória e mais difícil de detectar consistentemente. – A interpretação dos resultados pode ser mais complexa.

Para a maioria das aplicações de inversores e conversores, o teste AC PD é o padrão do setor e fornece os dados mais relevantes para garantir confiabilidade a longo prazo.

Melhores práticas de engenharia para projeto de isolamento resistente a PD

A prevenção de descargas parciais começa na prancheta. O projeto de isolamento robusto é uma disciplina multifacetada que envolve seleção cuidadosa de materiais, controle geométrico preciso e gerenciamento meticuloso de processos.

Otimizando distâncias de escoamento e folga

Estes são dois conceitos fundamentais no projeto de alta tensão:

Liquidação: A menor distância no ar entre duas partes condutoras. O objetivo principal é evitar um flashover direto.
Escoamento: A menor distância ao longo da superfície de um material isolante entre duas partes condutoras. Isso é fundamental para evitar o rastreamento e a descarga superficial, especialmente na presença de contaminação.

Os projetistas devem aderir a normas como a IEC 60664-1, que define as distâncias necessárias com base na tensão nominal do sistema, no grau de poluição (PD) e no Índice de Rastreamento Comparativo (CTI) dos materiais isolantes utilizados. Aumentar as distâncias de fuga adicionando nervuras ou ranhuras à superfície da caixa é uma estratégia comum e eficaz.

O papel crítico dos materiais de encapsulamento

O gel de silicone que preenche a maioria dos módulos IGBT de alta potência é a principal barreira de isolamento. Suas propriedades são fundamentais:

Rigidez dielétrica: O gel deve ter uma alta tensão de ruptura.
Viscosidade e Fluxo: Ela deve ter viscosidade baixa o suficiente durante o envasamento para fluir em todas as fendas e pequenos vãos, sem deixar espaços vazios.
Processo de cura: O processo de cura deve ser controlado com precisão para evitar a contração, que pode criar espaços vazios ou delaminação. A envasamento a vácuo é um procedimento padrão para remover o ar retido antes e durante o processo de envase.

Fabricantes líderes como Infineon Mitsubishi investir pesadamente no desenvolvimento de formulações de gel patenteadas e processos de envasamento automatizados e sem espaços vazios para garantir altos níveis de PDIV.

Projeto Geométrico e Controle de Campo Elétrico

Cantos e bordas afiadas são inimigos do isolamento de alta tensão. Eles criam pontos de alta concentração de campo elétrico, que atuam como locais de início de DP. Um projeto resistente a DP incorpora:

Condutores Suavizados e Arredondados: Todos os terminais internos de alta tensão, terminais de fios de ligação e trilhas de cobre DBC devem ter bordas arredondadas para distribuir o campo elétrico de forma mais uniforme.
Estruturas de nivelamento de campo: Em módulos de altíssima tensão (>3.3 kV), os projetistas podem usar camadas de classificação semicondutoras ou geometrias otimizadas para moldar o campo elétrico, reduzindo o pico de estresse em interfaces críticas.
Layout otimizado: O layout físico dos chips no substrato e o roteamento das trilhas de alta tensão são projetados para gerenciar a distribuição do campo E e maximizar as distâncias de isolamento.

Aplicação Prática: Um Estudo de Caso em Conversores de Energia Eólica

Problema: Um operador de parque eólico estava enfrentando falhas prematuras e aparentemente aleatórias nos módulos IGBT de seus conversores de 2 MW. As falhas eram mais frequentes em turbinas localizadas em altitudes mais elevadas, resultando em paradas de energia dispendiosas e manutenção emergencial.

Investigação: Uma amostra de módulos com defeito e em funcionamento, coletados em campo, foi submetida a uma análise rigorosa. Embora os testes elétricos padrão não tenham demonstrado problemas imediatos nas unidades em funcionamento, um teste de descarga parcial revelou o problema. Os módulos apresentaram uma PDIV baixa, pouco acima de sua tensão operacional de pico. Análises posteriores mostraram que a PDEV foi significativamente menor, indicando degradação interna grave. O corte transversal dos módulos revelou extensos microvazios no gel de silicone, particularmente ao redor dos terminais de alimentação principais, consistentes com atividade de PD de longo prazo.

Alternativa: A equipe de engenharia especificou uma substituição módulo de potência de um fornecedor diferente que garantia explicitamente uma alta classificação PDIV (por exemplo, >2500 V para um módulo de 1700 V). Este novo módulo apresentava um processo de encapsulamento superior e sem espaços vazios e um design com melhor controle de campo elétrico. Um rigoroso processo de controle de qualidade de entrada, incluindo testes de PD em lote, foi implementado.

Resultado: Após a modernização de parte da frota com os novos módulos, o tempo médio entre falhas (MTBF) dos conversores aumentou em mais de 60%. A operadora pôde estender os intervalos de manutenção com segurança, reduzindo drasticamente os custos operacionais e melhorando a produção geral de energia e a lucratividade do parque.

Principais conclusões e perspectivas futuras

Projetar para alta tensão é mais do que apenas escolher um dispositivo com a tensão nominal correta. Trata-se de garantir a integridade de todo o sistema de isolamento a longo prazo.

Resumo das estratégias de prevenção da DP

Área de Design	Consideracoes chave
Materiais	Selecione gel de silicone de alta rigidez dielétrica e baixa contração. Garanta alto CTI para todos os plásticos e substratos isolantes.
Geometria	Maximize as distâncias de fuga e folga. Arredonde todas as arestas condutoras afiadas. Utilize recursos de gradação de campo para tensões muito altas.
Extração	Implemente envasamento a vácuo para eliminar espaços vazios. Mantenha controles rigorosos de limpeza para evitar contaminação.
Ensaios	Especifique um requisito claro de PDIV e PDEV em suas especificações de compra. Implemente testes de PD de entrada para aplicações críticas.

À medida que a indústria continua seu avanço em direção à eletrificação e às energias renováveis, as tensões do sistema só aumentarão. O advento de semicondutores de banda larga como o SiC, que podem operar em tensões e frequências mais altas, torna o projeto robusto de isolamento e os testes de descarga parcial mais críticos do que nunca. Ao selecionar um módulo IGBT de alta tensão para uma aplicação exigente, não olhe apenas para a página inicial da folha de dados. Aprofunde-se nas especificações de isolamento e nos dados de desempenho de DP. Para aplicações críticas onde a confiabilidade não é negociável, a parceria com um fornecedor que entenda e possa garantir um desempenho sem DP é o caminho mais seguro para o sucesso. Se precisar de ajuda para navegar pelas complexidades dos sistemas de isolamento ou selecionar um módulo para o seu projeto de alta tensão, nossa equipe de engenheiros de aplicação está aqui para ajudar.