雙脈沖測(cè)試能反映IGBT實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中電應(yīng)力嗎？

大家好，前段時(shí)間在知乎上看到有個(gè)網(wǎng)友問(wèn)：“在大功率變頻器應(yīng)用中，我們常用雙脈沖測(cè)試評(píng)估器件的動(dòng)態(tài)特征，在實(shí)際中有可比性嗎？”感覺(jué)這個(gè)問(wèn)題提的比較好，也是作者想和大家討論的一個(gè)話題，那我們這期就來(lái)聊聊雙脈沖測(cè)試是否能夠反映器件在真實(shí)換流中的各種電應(yīng)力。

圖1.雙脈沖測(cè)試電路原理

通常情況下，為了測(cè)試器件的動(dòng)態(tài)特性，我們都會(huì)搭建一個(gè)通用的雙脈沖測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試平臺(tái)的功率回路部分包含了疊層母排、母線電容、待測(cè)功率器件和驅(qū)動(dòng)電路。雙脈沖測(cè)試電路的原理為半橋電路，如圖1所示。由于這個(gè)電路比較簡(jiǎn)單，因此設(shè)計(jì)的母排雜散電感可以控制在幾十個(gè)nH。

在通用的測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行雙脈沖測(cè)試的主要目的為：

1、測(cè)量IGBT的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)（tdon、Eon、tr、tdoff、tf、Eoff等）；

2、測(cè)試功率器件不同溫度下的特性；

3、測(cè)試器件的短路特性以及短路關(guān)斷特性；

4、對(duì)比同一品牌不同型號(hào)或者同一型號(hào)不同品牌的IGBT的性能；

5、獲取IGBT開(kāi)關(guān)參數(shù)，用以評(píng)估門(mén)極驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路是否合適；

然而實(shí)際我們?cè)O(shè)計(jì)的電力電子裝置，會(huì)綜合考慮各種因素，功率模組的結(jié)構(gòu)也會(huì)千差萬(wàn)別。同時(shí)由于器件的開(kāi)關(guān)特性與驅(qū)動(dòng)電路、母排結(jié)構(gòu)相互耦合，在通用平臺(tái)上的測(cè)試結(jié)果并不適應(yīng)于用真實(shí)的功率模組。因此在設(shè)計(jì)出功率模組后，我們還要進(jìn)行雙脈沖測(cè)試。當(dāng)然如果你的通用測(cè)試平臺(tái)換流回路的雜散電感和真實(shí)逆變器功率模組換流回路的雜散電感一樣的話，就沒(méi)必要再重新測(cè)試了。

在實(shí)際應(yīng)用的功率模組上進(jìn)行雙脈沖測(cè)試主要目的為：

1、測(cè)試IGBT的關(guān)斷過(guò)電壓，評(píng)估實(shí)際應(yīng)用是否需要加吸收電路；

2、測(cè)試二極管的反向恢復(fù)特性和安全裕量；

3、測(cè)量母排的雜散電感，評(píng)估是否可進(jìn)一步優(yōu)化；

4、測(cè)量器件真實(shí)的開(kāi)關(guān)損耗，用以評(píng)估功率模組的的散熱性能；

5、測(cè)量器件串并聯(lián)應(yīng)用時(shí)的均壓、均流特性；

看到這里大家應(yīng)該明白了，在進(jìn)行雙脈沖測(cè)試時(shí)我們可以基于兩種硬件測(cè)試平臺(tái)。一般情況下，功率半導(dǎo)體器件原廠或器件驅(qū)動(dòng)廠商更傾向于搭建通用型的雙脈沖測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試重點(diǎn)在于器件或驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)。而器件應(yīng)用廠家更傾向于在真實(shí)的變流裝置上進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，測(cè)試重點(diǎn)在于器件的電流、電壓應(yīng)力是否在安全范圍之內(nèi)。

回到主題，雙脈沖測(cè)試能反映IGBT實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中電應(yīng)力嗎？或者說(shuō)，通過(guò)雙脈沖測(cè)試評(píng)估器件的動(dòng)態(tài)特征，在實(shí)際中有可比性嗎？

答案是肯定的，前提條件是：雙脈沖測(cè)試一定要基于實(shí)際應(yīng)用的逆變器功率模組。

主要有兩點(diǎn)原因：

1、當(dāng)一個(gè)逆變器功率模組設(shè)計(jì)完成后，母排的寄生參數(shù)就固定不變了，因此每個(gè)功率器件換流回路的雜散電感也就固定了，它不依賴(lài)于負(fù)載的大小和接線方式。

以三相兩電平電壓型逆變器為例，如圖2所示，當(dāng)逆變器模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，每個(gè)IGBT換流回路的雜散電感就固定不變了（可能會(huì)有所差異）。例如：S1和S2換流回路CCLA的雜散電感Lσa=Lσ1，S3和S4換流回路CCLB的雜散電感Lσb=Lσ2，S5和S6換流回路CCLC的雜散電感Lσc=Lσ3，三個(gè)換流回路的雜散電感互不影響。

圖2 三相逆變器1

可能有些小伙伴會(huì)問(wèn)，如果a b c三相橋臂換流回路在物理上有重疊的部分會(huì)不會(huì)有影響呢？就像圖3所示，S1和S2換流回路雜散電感Lσa=Lσ1，S3和S4換流回路的雜散電感Lσb=Lσ1+Lσ2，S5和S6換流回路的雜散電感Lσc=Lσ1+Lσ2+Lσ3。

圖3 三相逆變器2

對(duì)于這種換流回路雖然物理上有重疊部分，但是依然沒(méi)有影響，最多就是C和B兩相功率器件的換流雜散電感要大一些，至于為什么看第二條。

2、對(duì)于逆變器大部分調(diào)制策略，每次切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，只會(huì)切換一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，也就是某一時(shí)刻只會(huì)存在一種換流暫態(tài)過(guò)程。這就能保證一個(gè)器件開(kāi)關(guān)暫態(tài)過(guò)程不會(huì)受其它器件的影響。

在這里希望大家建立幾個(gè)時(shí)間概念：

①器件的換流暫態(tài)時(shí)間為百ns級(jí)別，取決于驅(qū)動(dòng)、器件特性和母排寄生參數(shù)；

②器件的穩(wěn)態(tài)工作（導(dǎo)通或阻斷）時(shí)間為百u(mài)s或ms級(jí)別，取決于開(kāi)關(guān)頻率；

③死區(qū)時(shí)間是為了保證同一橋臂一個(gè)器件完全關(guān)斷后（換流結(jié)束后），再開(kāi)另一個(gè)器件，因此時(shí)間要大于換流暫態(tài)時(shí)間，一般為幾個(gè)us；

逆變器的開(kāi)關(guān)函數(shù)模型時(shí)都是在器件穩(wěn)定狀態(tài)下建立的。根據(jù)被控對(duì)象和開(kāi)關(guān)函數(shù)模型我們就可以控制IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷了。簡(jiǎn)單的理解是每個(gè)IGBT什么時(shí)候開(kāi)（關(guān)），開(kāi)（關(guān)）多長(zhǎng)時(shí)間是由控制器決定的。

在分析逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，我們一般會(huì)針對(duì)每一相橋臂定義二值邏輯開(kāi)關(guān)函數(shù)[1]：

也就是說(shuō)在逆變器工作時(shí)，每個(gè)橋臂只有2種開(kāi)關(guān)狀態(tài)（上開(kāi)下關(guān)或上關(guān)下開(kāi)），其它狀態(tài)是不允許出現(xiàn)的，因?yàn)閮蓚€(gè)同時(shí)開(kāi)會(huì)短路炸雞，兩個(gè)同時(shí)關(guān)就停機(jī)了。

而對(duì)于一個(gè)三相兩電平逆變器而言，一共有8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)：000，001，010，011，100，101，110，111。逆變器的正常工作狀態(tài)就是在這8種狀態(tài)中來(lái)回切換，只是每次只會(huì)切換一個(gè)開(kāi)關(guān)器件。

綜合以上兩點(diǎn)原因，既然換流回路的雜散電感都已經(jīng)固定不變了，而且逆變器運(yùn)行時(shí)器件的換流暫態(tài)過(guò)程又互不影響，所以雙脈沖測(cè)試的結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果是一樣的。

而對(duì)于一個(gè)三相兩電平逆變器來(lái)說(shuō)，從系統(tǒng)角度看有8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)：000，001，010，011，100，101，110，111?？刂破鞯墓ぷ骶褪窃谶@8種狀態(tài)中按照一定的規(guī)則進(jìn)行切換。通過(guò)對(duì)不同狀態(tài)的組合、排序，逆變器就會(huì)輸出一個(gè)你想要的優(yōu)美的波形了。

雖然只有8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但是根據(jù)電流方向來(lái)劃分的話，電流的回路就有很多種了。如果定義電流從橋臂流向負(fù)載為正，從負(fù)載流向橋臂為負(fù)，那一共有8種組合：（ia>0, ib>0, ic>0）、（ia>0, ib>0, ic<0）、（ia>0, ib<0, ic>0）、（ia>0, ib<0, ic<0）、（ia<0, ib>0, ic>0）、（ia<0, ib>0, ic<0）、（ia<0, ib<0, ic>0）和（ia<0, ib<0, ic<0）。

其中有兩種組合實(shí)際是不存在的（ia>0, ib>0, ic>0）和（ia<0, ib<0, ic<0），共模電流除外，也就是說(shuō)正常情況下一共存在48種有效電流回路，電流的方向也是在這48種回路中來(lái)回切換。

為了讓大家有個(gè)更直觀的理解，我們以電流的方向（ia>0, ib>0, ic<0）為例，畫(huà)出8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的電流回路，如圖4所示：

圖4三相逆變器8中電流回路

有些小伙伴看到以上電流回路可能感到很奇怪，有的電流是向母線電容充電的，如（001，011，101，100），有些回路電流沒(méi)有經(jīng)過(guò)電容如（000，111）。需要強(qiáng)調(diào)的是不要單獨(dú)將一張圖拿出來(lái)看，要考慮上一次回路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。另外，上圖只是從電路角度畫(huà)出了可能會(huì)出現(xiàn)的電流方向，并沒(méi)有考慮實(shí)際的控制方式或負(fù)載是什么，有些可能會(huì)工作在回饋或整流模式（負(fù)載為電機(jī)或電網(wǎng)）。

以上是從系統(tǒng)角度將逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)分為了8種，我們繼續(xù)往下分解，當(dāng)分解到任意一相橋臂時(shí)，只有2種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，根據(jù)電流的方向可以分為4種工作狀態(tài)：

圖5 單相橋臂工作狀態(tài)

再繼續(xù)分解，每個(gè)器件有2種開(kāi)關(guān)狀態(tài)：要么開(kāi)，要么關(guān)。根據(jù)電流的方向也可以劃分為4種狀態(tài)。

圖6單個(gè)器件工作狀態(tài)

分解后大家應(yīng)該就明白了，無(wú)論系統(tǒng)層面如何控制IGBT，反映到橋臂后也就四種工作狀態(tài)，進(jìn)一步對(duì)應(yīng)到每個(gè)器件也有四種狀態(tài)。逆變器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，IGBT的所有動(dòng)作都是這4種狀態(tài)的重復(fù)過(guò)程，只不過(guò)是每次的電流可能會(huì)有所不同。

對(duì)于每相橋臂四種狀態(tài)切換的換流過(guò)程，有些器件會(huì)有電應(yīng)力，有些會(huì)沒(méi)有，更詳細(xì)地大家可以參考我的另一篇文章：

IGBT應(yīng)用中的自然換流和強(qiáng)迫換流是什么？

以上這些換流暫態(tài)過(guò)程完全是可以通過(guò)雙脈沖測(cè)試模擬的，而且電流的大小可以通過(guò)脈沖寬度調(diào)節(jié)。所以說(shuō)雙脈沖測(cè)試完全可以反映真實(shí)換流過(guò)程中的各種電應(yīng)力。

這時(shí)候你可能會(huì)問(wèn)，既然雙脈沖測(cè)試可以反映IGBT所有換流狀態(tài)下的電應(yīng)力，那雙脈沖測(cè)試安全了，器件就一定能夠可靠的工作嗎？

答案是否定的，雙脈沖只能保證器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程是安全的，而系統(tǒng)跑起來(lái)后還要評(píng)估IGBT的散熱情況，同時(shí)系統(tǒng)是否可靠運(yùn)行還依賴(lài)于控制算法是否穩(wěn)定，系統(tǒng)是否存在電磁干擾，EMI是否滿足標(biāo)準(zhǔn)等一些列問(wèn)題，因此整機(jī)的功率循環(huán)測(cè)試時(shí)還是必須的。

最后，總結(jié)一下：

1、雙脈沖測(cè)試能夠反映逆變器真實(shí)運(yùn)行過(guò)程中的電壓、電流應(yīng)力。
2、在設(shè)計(jì)完一個(gè)新的逆變器結(jié)構(gòu)后，一定要進(jìn)行雙脈沖測(cè)試。
3、雙脈沖測(cè)試完后，整機(jī)的功率循環(huán)測(cè)試還是有必要做的。

審核編輯 ：李倩