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IGBT 动态斩波双脉冲测试实验及其注意事项
发布日期:2018-8-28   点击次数:2493

双脉冲测试及其注意事项


对电力电子工程师而言,功率组件是我们的设计对象,而IGBT由于其出色的特性被广泛使用于功率组件中。功率组件的效率、保护功能、EMC等表现和IGBT的应用设计具有紧密关系,而不同IGBT技术也造就了性能各异的IGBT产品。为了优化和验证组件性能以及对不同IGBT的性能验证,我们引入了双脉冲测试方法,借此工具我们可以实现以下具体功能:

详细了解IGBT各项参数,如Eon, Eoff, Tdon, Tdoff, Tr, Tf,芯片开关特性等,此项测试的意义是验证datasheet中各项参数值以及对不同模块的性能评估。

驱动电路的设计评估。Rg,Cg的选取以及门极电缆会影响门极的波形,是否振荡,dv/dt, di/dt等特性,除此以外,米勒钳位,门极钳位,有源钳位,软关断设计都可在此测试中评估。

热设计参数校核,通常的热设计基于的是规格书中的Eon,Eoff,这些给定值是基于特定的测试条件下所给出,由于对模块性能的优化和平衡的要求,实际的Eon,Eoff往往和理论值不一致,比如由于对EMC的要求我们希望较小的dv/dt,di/dt, 这将导致较大的Eon,Eoff, 借助此测试我们将得到真正的Eon,Eoff值,可以使仿真更加真实。

系统杂散电感:模块在任何情况下的工作电压都要小于额定电压,在低温时还要考虑到降额,IGBT的电压尖峰还取决于系统杂散电感,关断时的di/dt,母线电压等,通过此测试可以评估系统所允许的最大杂散电感,比较不同母排的杂散电感大小。

吸收电路校核:当关断尖峰过大时我们需要吸收电路来降低尖峰电压,吸收电路的形式,吸收原件的容值,内部电感,放置位置都会影响尖峰电压的大小。

过流及短路保护电路校核:在此实验中需要校核关断尖峰电压,关断时门极波形,短路电流,保护电路动作时间,有无振荡等。

并联时母排和交流排设计:当需要模块并联工作时,模块的结温和模块的均流程度相关,这会导致模块是否可以可靠工作,寿命如何,整个系统的寿命取决于最恶劣工况的模块。不仅如此,多模块并联也对过流,短路保护等的设计提出挑战。

双脉冲测试基本方法

如上图所示,双脉冲测试系统由直流电源,母线支撑电容,吸收电容,驱动电路,被测IGBT,负载电感,示波器,电压探头和罗氏线圈组成,由于IGBT通常工作在高温下,其性能和低温下有差异,我们还需要热板了解不同温度下IGBT的特性。

上图,在初始脉冲时IGBT上管被封锁,下管接收脉冲导通,母线电压通过负载电感L,下管IGBT形成回路,电感上由于电压存在而使得电流上升,电感上电流可以由di=dt*(U/L)求得。

同时也可以调整母线电压,电感大小和导通时间可以得到不同的峰值电流,在第一个脉冲结束时,IGBT关断,电感上电流通过上管的二极管续流,由于杂散电感的存在,电流不能突变,关断瞬间引起尖峰电压,关断尖峰电压可由U=L*di/dt求出。

在第二个脉冲发出前,上管的二极管处于续流导通状态,当第二个脉冲发出后,上管的二极管反向恢复,此电流将流过下管,同时电感电流继续上升,当关断时刻在下管将出现更大的电压尖峰。如果需要观测二极管的反向恢复特性时则需观察这个脉冲开通时的波形。

下图为实测双脉冲波形:

双脉冲测试设备

用户可以购买或者自制双脉冲测试平台,它包含以下部分:

直流电源:所配置的直流电源的电压要大于模块的额定电压,由于负载为短时脉冲,直流电源通常在1KW左右即可。

低压驱动电源:如果驱动核有隔离和稳压功能,那么可选择24V输入的可调稳压电源,电流在1A左右,根据驱动核的要求来调整电源输出。如果驱动电路没有隔离和稳压功能那么低压电源应该具有此功能,隔离电压大于两倍模块额定电压,电压输出精度在正负0.2V以内。

母线支撑电容:在IGBT开关时,能量将由电容所提供,通常被测IGBT模块在几安培到两千安培左右,对应的电容大约在几百微法到数毫法之间线性选取。

直流母排:平台测试设备针对不同功率组件,每个组件母排电感不尽相同,为了模仿不同组件的母排电感,平台中的直流母排可以做成可调电感形式。比较好的方法是把和模块接触的端子长度做成可调的。

电感:系统中的电感有两个作用,一个是作为负载来调整输出电流,观察模块在不同电流下的开关情况等,另一个功能是模仿不同的工况,比如短路时的长短电缆,此电感需要在大电流下不能饱和,一般做成空心带抽头的可调电感。可调电感范围通常在几十纳亨到几微亨左右。

热板:模块的开关特性和温度相关,比如开关损耗在125度时是25度时的1.38倍,详细解释请参考赛米控应用技术手册英文版279页,或中文版292页。在验证不同温度下IGBT性能时,可以使用万用表检测内部NTC或者PTC温度来确认芯片已经达到所需要的温度。

双脉冲发生器:双脉冲发生器可以为测试系统提供测试信号,要求能独立控制脉冲宽度和脉冲间隔。

封闭柜体和放电装置:保护作用。

驱动电路:尽可能选择被测模块实际所用的驱动核,由于不同驱动核的推挽电路性能不一样,相同的门极配置情况下也有可能出现不同的门极特性。

示波器及探头:测试门极电压的差分低压探头,测试CE间尖峰电压的差分高压探头和测试电流的罗氏线圈。

采用实际功率组件作为测试平台

标准双脉冲测试平台更适合于对比不同模块的性能参数,而IGBT实际工作在组件当中,系统的杂散电感,驱动电路等和标准测试平台中不一致,要评估IGBT在组件中的实际表现可以在实际组件中进行双脉冲测试,这样测试的结果更贴近实际情况。用户只需更改软件实现这个功能。

测试注意事项

在安装测试系统或接触IGBT模块时要戴防静电手环并确认防护有效。

根据测试的目的选取合适的测试平台,比如测试Eon,Eoff就在组件中测试比较好,因为系统的杂散电感等更贴近实际使用的工况。

要得到准确的测试数据,测试设备要经过专业检测机构定期标定,特别是测试探头。

准确的测试需要预热示波器10-20分钟,这样采样数据才准确。

测试中要注意干扰可能导致测试的不准确,测试探头的摆放有很大影响,可以垂直于被测设备并远离大的di/dt,dv/dt噪声,测试时探头要双绞来减少共模噪音的干扰。

测试脉冲宽度应考虑IGBT所允许最窄脉冲,过窄的脉冲由于内部载流子没有稳定从而导致模块振荡等不正常现象,通常窄脉冲限制在4us以上。

被测设备中不工作的IGBT应该钳位到负压或者门极短路到射极,否则由于噪声干扰或米勒效应等会误导通模块。如下图,大的dv/dt导致电流通过米勒电容流到门极,在门极和射极阻抗上生成电压降,从而有可能导通IGBT。

大功率模块测试时所需电流比较大,这时要注意母线电压的下降,应该升高母线输入电压来弥补脉冲测试时的电压降,以免影响测试结果。

由于模块中杂散电感的存在,在测试IGBT关断尖峰时辅助端子更接近芯片实际尖峰电压。

短路测试时脉冲宽度不要高于10us,这样即使保护电路不在10us内关断模块,双脉冲测试设备也会关闭,如果IGBT的CE间尖峰电压小于最高允许电压并且门电压钳位可靠,模块一般不会毁坏。

门极电缆长度对测试结果是有影响的,它会导致门极波形的变化,而门极波形影响着损耗,短路电流等参数,所以测试时线缆长度应该贴近实际工况。

IGBT所允许的最大工作峰值电流为两倍额定电流,除短路测试外被测电流不要超过模块的两倍额定电流。

由于IGBT内部布局的不同导致了上下管不同的杂散参数,这些差异会反映出上下管的特性不一致,所以双脉冲测试时应分别测试上下管。

关于是否加吸收电容,如果是验证模块性能时不需要加吸收电容进行测试。验证组件性能时是把模块放入组件进行测试,这时要保证和组件实际设置一样,如果组件实际工作带吸收电容那么需要加上。

系统中存在强干扰以及参考电位的不同,尽量选用光纤作为双脉冲发生器和驱动之间接口。

安全注意事项

由于系统中存在高压,测试人员需要经过培训才能被允许测试。

测试人员需要配备防护设备,比如绝缘鞋,防护眼镜等。

双脉冲测试需要至少两人同时进行。

双脉冲平台应有紧急断电装置。

双脉冲测试平台柜体,高压电源以及示波器应可靠接地,否则有触电危险。

电容组应有强制放电装置。

每次打开测试平台调整设置或拆卸模块时都应使用万用表检测系统是否放电完毕。

母线电压充电前要先使低压系统上电,试发脉冲来确认驱动板,双脉冲测试设备工作正常。确认无误后由低到高调整输出电压,由短到长调整输出脉冲,每次测试完成后复位高压电源电压和脉冲宽度到0。

测试前实验人员应交叉检查接线是否正确。

上电时要让驱动先上电,断电时要让主电先断电并下降到0后才允许驱动断电,否则门极在不受控状态下有可能导通。


参考文献:

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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