IGBT動態(tài)斬波雙脈沖測試實驗及其注意事項

對電力電子工程師而言，功率組件是我們的設(shè)計對象，而IGBT由于其出色的特性被廣泛使用于功率組件中。 功率組件的效率、保護(hù)功能、EMC等 表現(xiàn)和IGBT的應(yīng)用設(shè)計具有緊密關(guān)系，而不同IGBT技術(shù)也造就了性能各異的IGBT產(chǎn)品。為了優(yōu)化和驗證組件性能以及對不同IGBT的性能驗證，我們引入了雙脈沖測試方法，借此工具我們可以實現(xiàn)以下具體功能:

詳細(xì)了解IGBT各項參數(shù)，如Eon, Eoff, Tdon, Tdoff, Tr, Tf,芯片開關(guān)特性等，此項測試的意義是驗證datasheet中各項參數(shù)值以及對不同模塊的性能評估。

驅(qū)動電路的設(shè)計評估。Rg,Cg的選取以及門極電纜會影響門 門極的波形，是否振蕩,dv/dt, di/dt等特性，除此以外，米勒鉗位，門極鉗位,有源鉗位，軟關(guān)斷設(shè)計都可在此測試中評估。

熱設(shè)計參數(shù)校核，通常的熱設(shè)計基于的是規(guī)格書中的Eon, Eoff, 這些給定值是基于特定的測試條件下所給 出，由于對模塊性能的優(yōu)化和平衡的要求，實際的Eon, Eof往往和理論值不一致，比如由于對EMC的要求我們希 望較小的dv/dt，di/at, 這將導(dǎo)致較大的Eon,Eoff,借助此測試我們將得到真正的Eon, Eoff值， 可以使仿真更加真實。

系統(tǒng)雜散電感:模塊在任何情況下的工作電壓都要小于額定電壓，在低溫時還要考慮到降額，IGBT的電壓尖峰還取決于系統(tǒng)雜散電感，關(guān)斷時的di/dt,母線電壓等，通過此測試可以評估系統(tǒng)所允許的最大雜散電感，比較不同母排的雜散電感大小。

吸收電路校核:當(dāng)關(guān)斷尖峰過大時我們需要吸收電路來降低尖峰電壓，吸收電路的形式，吸收原件的容值，內(nèi)部電感，放置位置都會影響尖峰電壓的大小。

過流及短路保護(hù)電路校核:在此實驗中需要校核關(guān)斷尖峰電壓,關(guān)斷時門極波形，短路電流，保護(hù)電路動作時間，有無振蕩等。

并聯(lián)時母排和交流排設(shè)計:當(dāng)需要模塊并聯(lián)工作時，模塊的結(jié)溫和模塊的均流程度相關(guān)，這會導(dǎo)致模塊是否可以可靠工作，壽命如何，整個系統(tǒng)的壽命取決于最惡劣工況的模塊。不僅如此，多模塊并聯(lián)也對過流，短路保護(hù)等的設(shè)計提出挑戰(zhàn)。

如上圖所示，雙脈沖測試系統(tǒng)由直流電源，母線支撐電容,吸收電容,驅(qū)動電路,被測GBT,負(fù)載電感，示波器，電壓探頭和羅氏線圈組成，由于IGBT通常工作在高溫下，其性能和低溫下有差異，我們還需要熱板了解不同溫度下IGBT的特性。

上圖，在初始脈沖時IGBT.上管被封鎖，下管接收脈沖導(dǎo)通，母線電壓通過負(fù)載電感L，下管IGBT形成回路,電感上由于電壓存在而使得電流上升，電感上電流可以由di=dt(U/L)求得。

同時也可以調(diào)整母線電壓，電感大小和導(dǎo)通時間可以得到不同的峰值電流，在第一一個脈沖結(jié)束時, IGBT關(guān)斷，電感上電流通過上管的二極管續(xù)流，由于雜散電感的存在，電流不能突變，關(guān)斷瞬間引起尖峰電壓，關(guān)斷尖峰電壓可由U=L*di/dt求出。

在第二個脈沖發(fā)出前，上管的二極管處于續(xù)流導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)?shù)诙€脈沖發(fā)出后，上管的二 極管反向恢復(fù)，此電流將流過下管，同時電感電流繼續(xù)上升，當(dāng)關(guān)斷時刻在下管將出現(xiàn)更大的電壓尖峰。如果需要觀測二極管的反向恢復(fù)特性時則需觀察這個脈沖開通時的波形。

下圖為實測雙脈沖波形:

雙脈沖測試設(shè)備

用戶可以購買或者自制雙脈沖測試平臺，它包含以下部分:

直流電源:所配置的直流電源的電壓要大于模塊的額定電壓，由于負(fù)載為短時脈沖，直流電源通常在1KW左右即可。

低壓驅(qū)動電源:如果驅(qū)動核有隔離和穩(wěn)壓功能,那么可選擇24V輸入的可調(diào)穩(wěn)壓電源，電流在1A左右，根據(jù)驅(qū)動核的要求來調(diào)整電源輸出。如果驅(qū)動電路沒有隔離和穩(wěn)壓功能那么低壓電源應(yīng)該具有此功能，隔離電壓大于兩倍模塊額定電壓，電壓輸出精度在正負(fù)0.2V以內(nèi)。

母線支撐電容:在IGBT開關(guān)時，能量將由電容所提供，通常被測IGBT模塊在幾安培到兩千安培左右,對應(yīng)的電容大約在幾百微法到數(shù)毫法之間線性選取。

直流母排:平臺測試設(shè)備針對不同功率組件，每個組件母排電感不盡相同，為了模仿不同組件的母排電感，平臺中的直流母排可以做成可調(diào)電感形式。比較好的方法是把和模塊接觸的端子長度做成可調(diào)的。

電感:系統(tǒng)中的電感有兩個作用，-個是作為負(fù)載來調(diào)整輸出電流，觀察模塊在不同電流下的開關(guān)情況等，另一個功能是模仿不同的工況，比如短路時的長短電纜，此電感需要在大電流下不能飽和，一-般做成空心帶抽頭的可調(diào)電感?？烧{(diào)電感范圍通常在幾十納亨到幾微亨左右。

熱板:模塊的開關(guān)特性和溫度相關(guān)，比如開關(guān)損耗在125度時是25度時的1.38倍，詳細(xì)解釋請參考賽米控應(yīng)用技術(shù)手冊英文版279頁，或中文版292頁。在驗證不同溫度下IGBT性能時，可以使用萬用表檢測內(nèi)部NTC或者PTC溫度來確認(rèn)芯片已經(jīng)達(dá)到所需要的溫度。

雙脈沖發(fā)生器:雙脈沖發(fā)生器可以為測試系統(tǒng)提供測試信號，要求能獨立控制脈沖寬度和脈沖間隔。

封閉柜體和放電裝置:保護(hù)作用。

驅(qū)動電路:盡可能選擇被測模塊實際所用的驅(qū)動核，由于不同驅(qū)動核的推挽電路性能不- -樣，相同的門]極配置情況下也有可能出現(xiàn)不同的門極特性。

示波器及探頭:測試門極電壓的差分低壓探頭，測試CE間尖峰電壓的差分高壓探頭和測試電流的羅氏線圈。采用實際功率組件作為測試平臺

標(biāo)準(zhǔn)雙脈沖測試平臺更適合于對比不同模塊的性能參數(shù)，而IGBT實際工作在組件當(dāng)中，系統(tǒng)的雜散電感，驅(qū) 動電路等和標(biāo)準(zhǔn)測試平臺中不- -致，要評估IGBT在組件中的實際表現(xiàn)可以在實際組件中進(jìn)行雙脈沖測試，這樣測試的結(jié)果更貼近實際情況。用戶只需更改軟件實現(xiàn)這個功能。

測試注意事項

在安裝測試系統(tǒng)或接觸IGBT模塊時要戴防靜電手環(huán)并確認(rèn)防護(hù)有效。

根據(jù)測試的目的選取合適的測試平臺，比如測試Eon,Eoff就在組件中測試比較好，因為系統(tǒng)的雜散電感等更貼近實際使用的工況。

要得到準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù),測試設(shè)備要經(jīng)過專業(yè)檢測機構(gòu)定期標(biāo)定，特別是測試探頭。

準(zhǔn)確的測試需要預(yù)熱示波器10-20分鐘，這樣采樣數(shù)據(jù)才準(zhǔn)確。

測試中要注意干擾可能導(dǎo)致測試的不準(zhǔn)確，測試探頭的擺放有很大影響，可以垂直于被測設(shè)備并遠(yuǎn)離大的di/dt,dv/dt噪聲,測試時探頭要雙絞來減少共模噪音的干擾。

測試脈沖寬度應(yīng)考慮IGBT所允許最窄脈沖，過窄的脈沖由于內(nèi)部載流子沒有穩(wěn)定從而導(dǎo)致模塊振蕩等不正?，F(xiàn)象，通常窄脈沖限制在4us以上。

被測設(shè)備中不工作的IGBT應(yīng)該鉗位到負(fù)壓或者門極短路到射極，否則由于噪聲干擾或米勒效應(yīng)等會誤導(dǎo)通模快。如下圖，大的dv/dt導(dǎo)致電流通過米勒電容流到門極，在門極和射極阻抗上生成電壓降，從而有可能導(dǎo)通IGBT。

大功率模塊測試時所需電流比較大，這時要注意母線電壓的下降，應(yīng)該升高母線輸入電壓來彌補脈沖測試時的電壓降，以免影響測試結(jié)果。

由于模塊中雜散電感的存在，在測試IGBT關(guān)斷尖峰時輔助端子更接近芯片實際尖峰電壓。

短路測試時脈沖寬度不要高于10us，這樣即使保護(hù)電路不在10us內(nèi)關(guān)斷模塊，雙脈沖測試設(shè)備也會關(guān)閉，如果IGBT的CE間尖峰電壓小于最高允許電壓并且門電壓鉗位可靠，模塊-般不會毀壞。

門極電纜長度對測試結(jié)果是有影響的，它會導(dǎo)致門極波形的變化，而門極波形影響著損耗,短路電流等參數(shù)，所以測試時線纜長度應(yīng)該貼近實際工況。

IGBT所允許的最大工作峰值電流為兩倍額定電流，除短路測試外被測電流不要超過模塊的兩倍額定電流。

由于IGBT內(nèi)部布局的不同導(dǎo)致了上下管不同的雜散參數(shù)，這些差異會反映出上下管的特性不一致,所以雙脈沖測試時應(yīng)分別測試上下管。

關(guān)于是否加吸收電容，如果是驗證模塊性能時不需要加吸收電容進(jìn)行測試。驗證組件性能時是把模塊放入組件 進(jìn)行測試，這時要保證和組件實際設(shè)置-樣，如果組件實際工作帶吸收電容那么需要加上。

系統(tǒng)中存在強干擾以及參考電位的不同，盡量選用光纖作為雙脈沖發(fā)生器和驅(qū)動之間接口。

安全注意事項

由于系統(tǒng)中存在高壓，測試人員需要經(jīng)過培訓(xùn)才能被允許測試。

測試人員需要配備防護(hù)設(shè)備,比如絕緣鞋，防護(hù)眼鏡等。

雙脈沖測試需要至少兩人同時進(jìn)行。

雙脈沖平臺應(yīng)有緊急斷電裝置。

雙脈沖測試平臺柜體，高壓電源以及示波器應(yīng)可靠接地，否則有觸電危險。

電容組應(yīng)有強制放電裝置。

每次打開測試平臺調(diào)整設(shè)置或拆卸模塊時都應(yīng)使用萬用表檢測系統(tǒng)是否放電完畢。

母線電壓充電前要先使低壓系統(tǒng)上電，試發(fā)脈沖來確認(rèn)驅(qū)動板，雙脈沖測試設(shè)備工作正常。確認(rèn)無誤后由低到高調(diào)整輸出電壓，由短到長調(diào)整輸出脈沖，每次測試完成后復(fù)位高壓電源電壓和脈沖寬度到0。

測試前實驗人員應(yīng)交叉檢查接線是否正確。

上電時要讓驅(qū)動先上電，斷電時要讓主電先斷電并下降到0后才允許驅(qū)動斷電，否則門極在不受控狀態(tài)下有可能導(dǎo)通。

審核編輯：湯梓紅