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IGBT 動態斬波雙脈沖測試實驗及其注意事項
發布日期:2018-8-28   點擊次數:1714

雙脈沖測試及其注意事項


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、保護功能、EMC等表現和IGBT的應用設計具有緊密關系,而不同IGBT技術也造就了性能各異的IGBT產品。為了優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以下具體功能:

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

驅動電路的設計評估。Rg,Cg的選取以及門極電纜會影響門極的波形,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,軟關斷設計都可在此測試中評估。

熱設計參數校核,通常的熱設計基于的是規格書中的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化和平衡的要求,實際的Eon,Eoff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/dt, 這將導致較大的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雜散電感,關斷時的di/dt,母線電壓等,通過此測試可以評估系統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:當關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。

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

并聯時母排和交流排設計:當需要模塊并聯工作時,模塊的結溫和模塊的均流程度相關,這會導致模塊是否可以可靠工作,壽命如何,整個系統的壽命取決于最惡劣工況的模塊。不僅如此,多模塊并聯也對過流,短路保護等的設計提出挑戰。

雙脈沖測試基本方法

如上圖所示,雙脈沖測試系統由直流電源,母線支撐電容,吸收電容,驅動電路,被測IGBT,負載電感,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,下管接收脈沖導通,母線電壓通過負載電感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。

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

在第二個脈沖發出前,上管的二極管處于續流導通狀態,當第二個脈沖發出后,上管的二極管反向恢復,此電流將流過下管,同時電感電流繼續上升,當關斷時刻在下管將出現更大的電壓尖峰。如果需要觀測二極管的反向恢復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,由于負載為短時脈沖,直流電源通常在1KW左右即可。

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

母線支撐電容:在IGBT開關時,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,對應的電容大約在幾百微法到數毫法之間線性選取。

直流母排:平臺測試設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的。

電感:系統中的電感有兩個作用,一個是作為負載來調整輸出電流,觀察模塊在不同電流下的開關情況等,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電感。可調電感范圍通常在幾十納亨到幾微亨左右。

熱板:模塊的開關特性和溫度相關,比如開關損耗在125度時是25度時的1.38倍,詳細解釋請參考賽米控應用技術手冊英文版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部NTC或者PTC溫度來確認芯片已經達到所需要的溫度。

雙脈沖發生器:雙脈沖發生器可以為測試系統提供測試信號,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:保護作用。

驅動電路:盡可能選擇被測模塊實際所用的驅動核,由于不同驅動核的推挽電路性能不一樣,相同的門極配置情況下也有可能出現不同的門極特性。

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

標準雙脈沖測試平臺更適合于對比不同模塊的性能參數,而IGBT實際工作在組件當中,系統的雜散電感,驅動電路等和標準測試平臺中不一致,要評估IGBT在組件中的實際表現可以在實際組件中進行雙脈沖測試,這樣測試的結果更貼近實際情況。用戶只需更改軟件實現這個功能。

測試注意事項

在安裝測試系統或接觸IGBT模塊時要戴防靜電手環并確認防護有效。

根據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,因為系統的雜散電感等更貼近實際使用的工況。

要得到準確的測試數據,測試設備要經過專業檢測機構定期標定,特別是測試探頭。

準確的測試需要預熱示波器10-20分鐘,這樣采樣數據才準確。

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

測試脈沖寬度應考慮IGBT所允許最窄脈沖,過窄的脈沖由于內部載流子沒有穩定從而導致模塊振蕩等不正常現象,通常窄脈沖限制在4us以上。

被測設備中不工作的IGBT應該鉗位到負壓或者門極短路到射極,否則由于噪聲干擾或米勒效應等會誤導通模塊。如下圖,大的dv/dt導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,以免影響測試結果。

由于模塊中雜散電感的存在,在測試IGBT關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,這樣即使保護電路不在10us內關斷模塊,雙脈沖測試設備也會關閉,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,模塊一般不會毀壞。

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

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內部布局的不同導致了上下管不同的雜散參數,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分別測試上下管。

關于是否加吸收電容,如果是驗證模塊性能時不需要加吸收電容進行測試。驗證組件性能時是把模塊放入組件進行測試,這時要保證和組件實際設置一樣,如果組件實際工作帶吸收電容那么需要加上。

系統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生器和驅動之間接口。

安全注意事項

由于系統中存在高壓,測試人員需要經過培訓才能被允許測試。

測試人員需要配備防護設備,比如絕緣鞋,防護眼鏡等。

雙脈沖測試需要至少兩人同時進行。

雙脈沖平臺應有緊急斷電裝置。

雙脈沖測試平臺柜體,高壓電源以及示波器應可靠接地,否則有觸電危險。

電容組應有強制放電裝置。

每次打開測試平臺調整設置或拆卸模塊時都應使用萬用表檢測系統是否放電完畢。

母線電壓充電前要先使低壓系統上電,試發脈沖來確認驅動板,雙脈沖測試設備工作正常。確認無誤后由低到高調整輸出電壓,由短到長調整輸出脈沖,每次測試完成后復位高壓電源電壓和脈沖寬度到0。

測試前實驗人員應交叉檢查接線是否正確。

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


參考文獻:

A. Wintrich, U.Nicolai, W. Tursky, T. Reimann, “Application Manual Power Semiconductors”, 2ndedition, ISLE Verlag 2015, ISBN 978-3-938843-83-3


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