IGBT雙脈沖測試方法詳解.docx

IGBT雙脈沖測試方法詳解IGBT雙脈沖測試方法的意義：1.對(duì)比不同的IGBT的參數(shù)；2.評(píng)估IGBT驅(qū)動(dòng)板的功能和性能；3.獲取IGBT在開通、關(guān)斷過程的主要參數(shù)，以評(píng)估Rgon及Rgoff的數(shù)值是否合適。通常我們對(duì)某款I(lǐng)GBT的認(rèn)識(shí)主要是通過閱讀相應(yīng)的datasheet，但實(shí)際上，數(shù)據(jù)手冊(cè)中所描述的參數(shù)是基于一些已經(jīng)給定的外部參數(shù)測試得來的，而實(shí)際應(yīng)用中的外部參數(shù)都是個(gè)性化的，往往會(huì)有所不同，因此這些參數(shù)有些是不能直接拿來使用的。我們需要了解IGBT在具體應(yīng)用中更真實(shí)的表現(xiàn)；4.開通、關(guān)斷過程是否有不合適的震蕩；5 評(píng)估二極管的反向恢復(fù)行為和安全裕量；6.IGBT關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰是否合適，關(guān)斷之后是否存在不合適的震蕩；7.評(píng)估IGBT并聯(lián)的均流特性；8.測量母排的雜散電感；要觀測這些參數(shù)，最有效的方法就是：“雙脈沖測試方法”！雙脈沖測試平臺(tái)的電路雙脈沖測試的基本實(shí)驗(yàn)波形雙脈沖實(shí)驗(yàn)的基本原理（1）：在t0時(shí)刻，門極放出第一個(gè)脈沖，被測IGBT 飽和導(dǎo)通，電動(dòng)勢U加在負(fù)載L上，電感的電流線性上升，電流表達(dá)式為：t1時(shí)刻，電感電流的數(shù)值由U和L決定，在U和L都確定時(shí)，電流的數(shù)值由t1決定，時(shí)間越長，電流越大。因此可以自主設(shè)定電流的數(shù)值。雙脈沖實(shí)驗(yàn)的基本原理（2）：IGBT關(guān)斷，負(fù)載 的電流L的電流由上管二極管續(xù)流，該電流緩慢衰減，如圖虛線所示。由于電流探頭放在下管的發(fā)射極處，因此，在二極管續(xù)流時(shí)，IGBT關(guān)斷，示波器上是看不見該電流的。雙脈沖實(shí)驗(yàn)的基本原理（3）：在t2時(shí)刻，第二個(gè)脈沖的上升沿到達(dá)，被測IGBT 再次導(dǎo)通，續(xù)流二極管進(jìn)入反向恢復(fù)，反向恢復(fù)電流會(huì)穿過IGBT ，在電流探頭上能捕捉到這個(gè)電流，如下圖所示。在該時(shí)刻，重點(diǎn)是觀察IGBT 的開通過程。反向恢復(fù)電流是重要的監(jiān)控對(duì)象，該電流的形態(tài)直接影響到換流過程的許多重要指標(biāo)。雙脈沖實(shí)驗(yàn)的基本原理（4）：在t3時(shí)刻，被測IGBT 再次關(guān)斷，此時(shí)電流較大，因?yàn)槟妇€雜散電感Ls的存在，會(huì)產(chǎn)生一定的電壓尖峰。在該時(shí)刻，重點(diǎn)是觀察IGBT 的關(guān)斷過程。電壓尖峰是重要的監(jiān)控對(duì)象，同時(shí)關(guān)斷之后電壓和電流是否存在不合適的震蕩也是需要注意的對(duì)象。雙脈沖實(shí)驗(yàn)的實(shí)測波形：雙脈沖實(shí)驗(yàn)的關(guān)注點(diǎn)-開通過程（第二次開通）：左圖是IGBT 實(shí)測開通波形，我們需要關(guān)注的點(diǎn)是：（1）Vce電壓是否正確變化；（2）二極管的反向恢復(fù)電流的di/dt；（3）二極管的反向恢復(fù)電流的峰值；（4）反向恢復(fù)后電流是否有震蕩，拖尾有多長；（5）測算出損耗( 依賴示波器功能)。關(guān)于二極管的討論：IGBT模塊中的續(xù)流二極管，實(shí)際上是一個(gè)非常重要的元件，但往往容易被忽視。我們列舉出如下需要注意的幾條：1. IGBT 出現(xiàn)短路或者故障時(shí)，IGBT驅(qū)動(dòng)器可以幫忙保護(hù)；但二極管芯片損壞時(shí)，沒有其他的防護(hù)手段；2. 在IGBT 開通的時(shí)刻，實(shí)際上是續(xù)流二極管關(guān)斷的時(shí)刻。所有的功率半導(dǎo)體，包括IGBT 芯片和二極管芯片，在關(guān)斷的時(shí)刻面臨的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于其開通時(shí)面臨的風(fēng)險(xiǎn)；下圖是二極管的安全工作區(qū)的示意圖。實(shí)際上這是一條恒功率曲線。其意義是：二極管 在反向恢復(fù)過程中，其瞬時(shí)功率不能超過規(guī)定的數(shù)值，否則就有損壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，二極管的瞬時(shí)功率是重要的判斷標(biāo)準(zhǔn)。二極管在反向恢復(fù)的過程中，實(shí)際上是其工作點(diǎn)從導(dǎo)通過度到截止。其工作點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡有多種選擇，如右圖所示。顯然，軌跡A是最安全的，軌跡C則是危險(xiǎn)的。二極管的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的測試方法：下圖是評(píng)估二極管的方法的示意圖：（1）將電流探頭加在上管IGBT的集電極；（2）將電壓探頭加在上管 IGBT的CE極間；（3）將電壓及電流的瞬時(shí)值的積做為一個(gè)函數(shù)通道，表示二極管的瞬時(shí)功率；（4）用示波器捕捉上管二極管的反向恢復(fù)時(shí)刻，注意只有在第二次開通的時(shí)刻二極管才會(huì)有反向回復(fù)行為。IGBT開通過程中二極管的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)（1 ）：右圖表示的是二極管反向恢復(fù)時(shí)，實(shí)測的電壓及電流波形，同時(shí)利用示波器計(jì)算出瞬時(shí)功率的波形。二極管反向恢復(fù)電流增加時(shí)，雜散電感Ls上產(chǎn)生的電壓與母線電壓反向，因此電壓相抵，二極管相對(duì)安全。二極管反向恢復(fù)電流減小時(shí)，雜散電感Ls上產(chǎn)生的電壓與母線電壓同向，Ls上的電壓落在二極管上，二極管出現(xiàn)電壓尖峰，風(fēng)險(xiǎn)加大。如果雜散電感比較大，二極管就更加危險(xiǎn)了，容易超出安全工作區(qū)。二極管反向恢復(fù)電流減小時(shí)，雜散電感Ls上產(chǎn)生的電壓與母線電壓同向，Ls上的電壓落在二極管上，二極管出現(xiàn)電壓尖峰，風(fēng)險(xiǎn)加大。如果雜散電感比較大，二極管就更加危險(xiǎn)，容易超出安全工作區(qū)。IGBT開通過程中二極管的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)（2 ）1. 二極管的反向恢復(fù)電流的前沿，對(duì)應(yīng)在雜散電感上產(chǎn)生的電壓方向是與母線電壓相抵的，因此沒有風(fēng)險(xiǎn)；2.反向恢復(fù)電流的后沿對(duì)應(yīng)在雜散電感上產(chǎn)生的電壓的方向與母線電壓相同，二極管會(huì)承受此電壓尖峰，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)功率的尖峰，因此是最危險(xiǎn)的時(shí)刻。IGBT 開通過程中二極管的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)（3 ）二極管的電壓尖峰是由于雜散電感與二極管反向恢復(fù)電流的后沿相作用而產(chǎn)生的。所以：1.減小直流母排的雜散電感；2.優(yōu)化反向恢復(fù)電流的后半沿的斜率；都可以有效提高二極管的安全裕量。圖中紅色線為二極管的瞬時(shí)功率，在二極管反向恢復(fù)電流達(dá)到最大值后，二極管的功率也達(dá)到最大值。如果此時(shí)二極管電壓尖峰很大，則二極管損壞的風(fēng)險(xiǎn)將大大增加，因此雜散電感大小對(duì)二極管意義也很大。IGBT開通過程中二極管的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)（4 ）通常在IGBT的datasheet中，關(guān)于二極管的部分會(huì)注明反向恢復(fù)電流的最大的di/dt水平，通常不能超過這個(gè)數(shù)值。否則可能導(dǎo)致反向恢復(fù)電流震蕩。下圖所示的1500A/3300V模塊的“二極管的安全工作區(qū)曲線”，該邊界為9kA/us。二極管反向恢復(fù)電流的的形狀主要取決于IGBT 廠商的設(shè)計(jì)，其前沿的斜率及后沿斜率在很大程度上受Rgon的影響。一旦增大Rgon，反向恢復(fù)電流的斜率則會(huì)緩和很多。續(xù)流二極管的風(fēng)險(xiǎn)與外部參數(shù)的關(guān)系：在外部參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，二極管的風(fēng)險(xiǎn)也在發(fā)生變化，在此，我們舉幾個(gè)需要特別注意的參數(shù)：1.結(jié)溫，當(dāng)結(jié)溫越低，二極管的速度越快，反向恢復(fù)電流后沿也越陡峭，產(chǎn)生的電壓尖峰也越高，情況越惡劣。2.續(xù)流電流的大小，實(shí)驗(yàn)表明，二極管關(guān)斷不同等級(jí)的電流時(shí)產(chǎn)生的峰值功率有如下關(guān)系：P（關(guān)斷10%的額定電流）P（關(guān)斷1倍的額定電流） P（關(guān)斷21倍的額定電流。 也就是說，電流越小，情況越惡劣。3.母線電壓的高低，母線電壓越高，情況越惡劣。如上這些注意點(diǎn)都來自于測試經(jīng)驗(yàn)，某些特殊的功率模塊可能不在該范圍內(nèi)。通過開通過程觀察并聯(lián)的動(dòng)態(tài)均流水平：下圖是在3個(gè)IGBT并聯(lián)的情況下測試的開通波形，M1、M2和M3通道分別為3個(gè)IGBT的Ic。用此方法可以很準(zhǔn)確的測試出動(dòng)態(tài)均流的情況。從而進(jìn)行動(dòng)態(tài)均流調(diào)試。利用開通過程測量主電路雜散電感：在IGBT第二次開通時(shí)，Ic開始增長，而此時(shí)上管IGBT的續(xù)流二極管處于反向恢復(fù)，該二極管沒有阻斷能力，因此上管Vce=0。在Ic開始增長時(shí)，雜散電感上感應(yīng)的電壓的方向如右上圖所示，與母線電壓相反，所以此時(shí)在下管的Vce上測得的波形出現(xiàn)了一個(gè)缺口，如右下圖波形中的虛線所示。這個(gè)缺口電壓產(chǎn)生的原因是雜散電感抵消了一部分母線電壓。也就是說，缺口的電壓是雜散電感上的感應(yīng)電壓。從示波器上讀出Us，再讀出di/dt，代進(jìn)上式，就能算出雜散電感Ls的數(shù)值。這個(gè)模型是比較準(zhǔn)確的，因此得出的數(shù)據(jù)比較可靠。雙脈沖實(shí)驗(yàn)的關(guān)注點(diǎn)- 關(guān)斷過程：關(guān)斷過程的關(guān)注點(diǎn)為Vce的電壓尖峰，它是直流母線雜散電感與di/dt的乘積，通過觀察這個(gè)尖峰，可以評(píng)估IGBT在關(guān)斷時(shí)的安全程度。Vce尖峰一般都客觀存在，在短路或者過載時(shí)，這個(gè)尖峰會(huì)達(dá)到最高值，比正常工作時(shí)要高得多，通?？梢允褂糜性淬Q位電路(Active Clamping) 進(jìn)行抑制。對(duì)關(guān)斷過程中電壓尖峰的認(rèn)識(shí)：下表說明不同IGBT在關(guān)斷額定電流時(shí)的di/dt的水平( 從datasheet 中計(jì)算出）：在IGBT 短路時(shí)，關(guān)斷短路電流的di/dt會(huì)更高，比關(guān)斷額定電流要高很多，因此短路時(shí)電壓尖峰更高。所以有可能出現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)器發(fā)現(xiàn)了IGBT的短路現(xiàn)象，并且也及時(shí)關(guān)斷，但是由于di/dt太高，產(chǎn)生了非常高的電壓尖峰，在關(guān)斷該短路電流后仍然可以打壞了IGBT。我們舉例：假設(shè)母排雜散電感為100nH，則在7000A/us的電流變化率下，電壓尖峰將高達(dá)700V。這時(shí)，有源鉗位電路就非常必要。通常在大功率的IGBT 的應(yīng)用中，有源鉗位的功能是非常必要的。其原因是隨著系統(tǒng)的功率變大，IGBT的di/dt會(huì)增大，且雜散電感也會(huì)越大，因此電壓尖峰會(huì)越高。雙脈沖實(shí)驗(yàn)舉例硬件準(zhǔn)備工作：雙脈沖實(shí)驗(yàn)舉例計(jì)算：在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，涉及4個(gè)物理量：1.母線電壓(V)2.IGBT 電流(I)3.電感量(L)4.脈沖