對(duì)電力電子工程師而言，功率組件是我們的設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)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(yàn)證組件性能以及對(duì)不同IGBT的性能驗(yàn)證，我們引入了雙脈沖測(cè)試方法，借此工具我們可以實(shí)現(xiàn)以下具體功能:

詳細(xì)了解IGBT各項(xiàng)參數(shù)，如Eon, Eoff, Tdon, Tdoff, Tr, Tf,芯片開(kāi)關(guān)特性等，此項(xiàng)測(cè)試的意義是驗(yàn)證datasheet中各項(xiàng)參數(shù)值以及對(duì)不同模塊的性能評(píng)估。

驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)評(píng)估。Rg,Cg的選取以及門(mén)極電纜會(huì)影響門(mén) 門(mén)極的波形，是否振蕩,dv/dt, di/dt等特性，除此以外，米勒鉗位，門(mén)極鉗位,有源鉗位，軟關(guān)斷設(shè)計(jì)都可在此測(cè)試中評(píng)估。

熱設(shè)計(jì)參數(shù)校核，通常的熱設(shè)計(jì)基于的是規(guī)格書(shū)中的Eon, Eoff, 這些給定值是基于特定的測(cè)試條件下所給 出，由于對(duì)模塊性能的優(yōu)化和平衡的要求，實(shí)際的Eon, Eof往往和理論值不一致，比如由于對(duì)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(cè)試我們將得到真正的Eon, Eoff值， 可以使仿真更加真實(shí)。

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(shí)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(shí)的di/dt,母線電壓等，通過(guò)此測(cè)試可以評(píng)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(guò)大時(shí)我們需要吸收電路來(lái)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(huì)影響尖峰電壓的大小。

過(guò)流及短路保護(hù)電路校核:在此實(shí)驗(yàn)中需要校核關(guān)斷尖峰電壓,關(guān)斷時(shí)門(mén)極波形，短路電流，保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)間，有無(wú)振蕩等。

并聯(lián)時(shí)母排和交流排設(shè)計(jì):當(dāng)需要模塊并聯(lián)工作時(shí)，模塊的結(jié)溫和模塊的均流程度相關(guān)，這會(huì)導(dǎo)致模塊是否可以可靠工作，壽命如何，整個(gè)系統(tǒng)的壽命取決于最?lèi)毫庸r的模塊。不僅如此，多模塊并聯(lián)也對(duì)過(guò)流，短路保護(hù)等的設(shè)計(jì)提出挑戰(zhàn)。

如上圖所示，雙脈沖測(cè)試系統(tǒng)由直流電源，母線支撐電容,吸收電容,驅(qū)動(dòng)電路,被測(cè)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(shí)IGBT.上管被封鎖，下管接收脈沖導(dǎo)通，母線電壓通過(guò)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(shí)也可以調(diào)整母線電壓，電感大小和導(dǎo)通時(shí)間可以得到不同的峰值電流，在第一一個(gè)脈沖結(jié)束時(shí), IGBT關(guān)斷，電感上電流通過(guò)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(gè)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€(gè)脈沖發(fā)出后，上管的二 極管反向恢復(fù)，此電流將流過(guò)下管，同時(shí)電感電流繼續(xù)上升，當(dāng)關(guān)斷時(shí)刻在下管將出現(xiàn)更大的電壓尖峰。如果需要觀測(cè)二極管的反向恢復(fù)特性時(shí)則需觀察這個(gè)脈沖開(kāi)通時(shí)的波形。

下圖為實(shí)測(cè)雙脈沖波形:

雙脈沖測(cè)試設(shè)備

用戶(hù)可以購(gòu)買(mǎi)或者自制雙脈沖測(cè)試平臺(tái)，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(shí)脈沖，直流電源通常在1KW左右即可。

低壓驅(qū)動(dòng)電源:如果驅(qū)動(dòng)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(dòng)核的要求來(lái)調(diào)整電源輸出。如果驅(qū)動(dòng)電路沒(méi)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?xún)?nèi)。

母線支撐電容:在IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)，能量將由電容所提供，通常被測(cè)IGBT模塊在幾安培到兩千安培左右,對(duì)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(tái)測(cè)試設(shè)備針對(duì)不同功率組件，每個(gè)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(tái)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(zhǎng)度做成可調(diào)的。

電感:系統(tǒng)中的電感有兩個(gè)作用，-個(gè)是作為負(fù)載來(lái)調(diào)整輸出電流，觀察模塊在不同電流下的開(kāi)關(guān)情況等，另一個(gè)功能是模仿不同的工況，比如短路時(shí)的長(zhǎng)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(kāi)關(guān)特性和溫度相關(guān)，比如開(kāi)關(guān)損耗在125度時(shí)是25度時(shí)的1.38倍，詳細(xì)解釋請(qǐng)參考賽米控應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)英文版279頁(yè)，或中文版292頁(yè)。在驗(yàn)證不同溫度下IGBT性能時(shí)，可以使用萬(wàn)用表檢測(cè)內(nèi)部NTC或者PTC溫度來(lái)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(cè)試系統(tǒng)提供測(cè)試信號(hào)，要求能獨(dú)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(dòng)電路:盡可能選擇被測(cè)模塊實(shí)際所用的驅(qū)動(dòng)核，由于不同驅(qū)動(dòng)核的推挽電路性能不- -樣，相同的門(mén)]極配置情況下也有可能出現(xiàn)不同的門(mén)極特性。

示波器及探頭:測(cè)試門(mén)極電壓的差分低壓探頭，測(cè)試CE間尖峰電壓的差分高壓探頭和測(cè)試電流的羅氏線圈。采用實(shí)際功率組件作為測(cè)試平臺(tái)

標(biāo)準(zhǔn)雙脈沖測(cè)試平臺(tái)更適合于對(duì)比不同模塊的性能參數(shù)，而IGBT實(shí)際工作在組件當(dāng)中，系統(tǒng)的雜散電感，驅(qū) 動(dòng)電路等和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)中不- -致，要評(píng)估IGBT在組件中的實(shí)際表現(xiàn)可以在實(shí)際組件中進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，這樣測(cè)試的結(jié)果更貼近實(shí)際情況。用戶(hù)只需更改軟件實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

測(cè)試注意事項(xiàng)

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

根據(jù)測(cè)試的目的選取合適的測(cè)試平臺(tái)，比如測(cè)試Eon,Eoff就在組件中測(cè)試比較好，因?yàn)橄到y(tǒng)的雜散電感等更貼近實(shí)際使用的工況。

要得到準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù),測(cè)試設(shè)備要經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)定期標(biāo)定，特別是測(cè)試探頭。

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

測(cè)試脈沖寬度應(yīng)考慮IGBT所允許最窄脈沖，過(guò)窄的脈沖由于內(nèi)部載流子沒(méi)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(cè)設(shè)備中不工作的IGBT應(yīng)該鉗位到負(fù)壓或者門(mén)極短路到射極，否則由于噪聲干擾或米勒效應(yīng)等會(huì)誤導(dǎo)通?？臁Ｈ缦聢D，大的dv/dt導(dǎo)致電流通過(guò)米勒電容流到門(mén)極，在門(mén)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(cè)試時(shí)所需電流比較大，這時(shí)要注意母線電壓的下降，應(yīng)該升高母線輸入電壓來(lái)彌補(bǔ)脈沖測(cè)試時(shí)的電壓降，以免影響測(cè)試結(jié)果。

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

短路測(cè)試時(shí)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(cè)試設(shè)備也會(huì)關(guān)閉，如果IGBT的CE間尖峰電壓小于最高允許電壓并且門(mén)電壓鉗位可靠，模塊-般不會(huì)毀壞。

門(mén)極電纜長(zhǎng)度對(duì)測(cè)試結(jié)果是有影響的，它會(huì)導(dǎo)致門(mén)極波形的變化，而門(mén)極波形影響著損耗,短路電流等參數(shù)，所以測(cè)試時(shí)線纜長(zhǎng)度應(yīng)該貼近實(shí)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(cè)試外被測(cè)電流不要超過(guò)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(huì)反映出上下管的特性不一致,所以雙脈沖測(cè)試時(shí)應(yīng)分別測(cè)試上下管。

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

系統(tǒng)中存在強(qiáng)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(dòng)之間接口。

安全注意事項(xiàng)

由于系統(tǒng)中存在高壓，測(cè)試人員需要經(jīng)過(guò)培訓(xùn)才能被允許測(cè)試。

測(cè)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(cè)試需要至少兩人同時(shí)進(jìn)行。

雙脈沖平臺(tái)應(yīng)有緊急斷電裝置。

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

電容組應(yīng)有強(qiáng)制放電裝置。

每次打開(kāi)測(cè)試平臺(tái)調(diào)整設(shè)置或拆卸模塊時(shí)都應(yīng)使用萬(wàn)用表檢測(cè)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(lái)確認(rèn)驅(qū)動(dòng)板，雙脈沖測(cè)試設(shè)備工作正常。確認(rèn)無(wú)誤后由低到高調(diào)整輸出電壓，由短到長(zhǎng)調(diào)整輸出脈沖，每次測(cè)試完成后復(fù)位高壓電源電壓和脈沖寬度到0。

測(cè)試前實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)交叉檢查接線是否正確。

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

審核編輯：湯梓紅