双脉冲实验报告

双脉冲实验1.双脉冲实验概述通过双脉冲实验可以观察IGBT在开通、关断过程中是否有不合适的震荡，评估二极管的反向恢复行为和安全裕量以及确定有源钳位电路的工作点，保证其在极限工况下可靠工作，在额定工况下可持续工作。1.1双脉冲实验的基本原理实验电路如下图1a所示。D1Q1D2Q2L0C0UsDCT1Vg_Q1IC1ID2IC1ID2IL0tIL0VCE1VCE1VD2VD2T2T3t1t2t3t4(a)(b)图1双脉冲实验电路(a)及各关键点波形(b)图1a中Q1、Q2为IGBT模块，型号是FS800R07A2E3，开关管Q2栅极施加负压保持关断状态，Q1栅极施加由DSP提供的双脉冲波形，调节脉冲宽度T1、T2和T3可以调节电流IC1、IL0的大小。D1和D2为开关管内部并联二极管。L0为测试用空心电感，大小为25uH。C0为母线端薄膜电容，本次实验为了能确保大电流输出，电容量取2000uF。Us为直流电源，用于调节母线电压。图1a中所标各关键点电压和电流波形如图1b所示。其中，Vg_Q1为开关管Q1的双脉冲驱动信号，IC1为Q1集电极电流，VCE1为Q1集-射电压，ID2为并联二极管D2的电流，VD2为二极管正向电压，IL0为电感L0电流。在实际电路中由于漏感及寄生电容的存在，开关切换时波形中会有电压及电流尖峰，主要表现为：在t2及t4时刻，Q1关断，电压VCE1存在漏感电压尖峰；在t3时刻，Q1逐渐导通，D1逐渐关断，电流ID2存在反向恢复电流尖峰，电压VD2存在漏感电压尖峰。以上两点需要通过双脉冲实验进行验证，确保电压、电流应力不超过开关管安全工作区。1.2栅极有源钳位电路图1a中Q1关断时，集-射极会承受直流母线电压Us与漏感尖峰的叠加，负载电流越大，尖峰越高，为了保护开关管，驱动电路中加入下图2所示的有源钳位电路。D1Q1TVSItvs_brICVCE图2开关管有源钳位电路图2中TVS管的型号为P6SMB510A，门限电压Vtvs_th为485～535V，当VCE高于Vtvs_th时，TVS击穿并流过电流Itvs_br，该电流一方面拉低VCE电压，另一方面抬高开关管栅极电压从而减缓Q1的关断速度，降低VCE电压。有源钳位电路需要保证逆变器在过载甚至短路时能够可靠抑制VCE电压，同时又要保证该电路在逆变器额定工作区中能够持续工作，这主要考虑到TVS击穿时有与VCE成正比的电流Itvs_br流过，长时间工作会导致TVS过热，所以双脉冲实验另一个目的是验证逆变器可持续工作区的选取是否合适。综上所述，本次双脉冲实验的目的为：1)验证极限工况下IGBT集-射电压Vce_max是否在额定范围之内；2)IGBT并联二极管关断时的应力是否在额定范围之内；3)逆变器可持续工作区的确定。2.极限工况下IGBT集-射电压Vce_max2.1测试目的评价有源钳位电路的工作效果，IGBT在极限电压电流条件下关断时，其集-射电压电压尖峰要低于最大可承受电压，根据IGBT规格书，该电压值为650V。测试电路如图3所示：D1Q1D2Q2L0C0UsDCT1IC1ID2IL0VCE1VD2T2T3A电流探头图3极限工况测试电路（Q1为被测对象，○A表示电流探头位置）2.2测试条件输入电压Vin=425V集电极电流Ic=1100A（两倍额定电流）2.3测试结果Vce_max=579V测试波形如下图4所示。图4极限工况下IGBT集-射电压（C1：Vce，C2：栅极驱动Vge，C4：集电极电流Ic）3.IGBT并联二极管关断3.1测试目的当桥臂中的一个IGBT逐渐开通时，流过该IGBT的电流逐渐增大，同时另一个IGBT的并联二极管电流ID逐渐减小，由于它的反向恢复特性，该二极管会承受较大的电压及电流应力，该项测试是为了评价该过程中二极管是否工作在安全区域内。测试电路如图5所示。D1Q1D2Q2L0C0UsDCT1IC1ID2IL0VCE1VD2T2T3A图5IGBT并联二极管关断测试（Q2为被测对象，○A表示电流探头位置）3.2测试条件输入电压Vin：450V测试电流ID：分别取50A、150A、250A、375A、550A、714A、825A、962A、1100A。3.3测试结果表1所示为450V输入下的测试结果。其中，通道C1为IGBT端电压（黄），C2为IGBT栅极驱动（绿），C3为二极管电压VD（红），C4为二极管电流ID（蓝）。表1二级管关断时两端电压VD_off以及最大反向恢复电流IrrID=50AID=150AVD_off=130V，Irr=51.6AVD_off=160V，Irr=80A表1（续）二级管关断时两端电压VD_off以及最大反向恢复电流IrrID=250AID=375AVD_off=160V，Irr=87.4AVD_off=160V，Irr=91.6AID=550AID=714AVD_off=150V，Irr=91.6AVD_off=130V，Irr=91.6AID=825AID=962AVD_off=150V，Irr=83.2AVD_off=130V，Irr=58.2A表1（续）二级管关断时两端电压VD_off以及最大反向恢复电流IrrID=1100AVD_off=110V，Irr=66.6A图6所示为IGBT安全工作区，对比表1的测试结果，二极管关断过程中的电压、电流没有超出安全工作区。0100200300400500600700800900100011001200130014001500160017000100200300400500600Vce/VI/A二极管应力分布Ic,ModuleSOAIc,ChipSOA图6IGBT安全工作区及450V输入下的二极管关断应力（位于阴影部分内）4.逆变器可持续工作区的确定4.1测试目的IGBT持续工作时需要确保有源钳位电路不工作或温升不超过最高温度，且该电路是否工作取决于输入电压Vin以及IGBT关断时电流Ic，Vin越高，IGBT流过持续电流Ic的能力就越低，这是因为较高的Ic会产生较高的关断电压尖峰，该尖峰会触发有源钳位电路工作，如果尖峰较高，钳位电路的工作电流就会很大，由此产生较高的温升。该项测试是为了找出逆变器可持续工作的母线电压及负载电流。4.2测试条件输入电压Vin：250V、275V、300V、325V、350V、375V、400V、425V和450V；测试电流Ic_off：在以上各个电压下逐渐增加IGBT关断电流直到关断电压尖峰达到有源钳位电路中TVS门限电压。根据TVS规格书，其门限电压Vtvs_th为485～535V，此时TVS工作电流为1mA。4.3测试结果如下表2所示。表2达到TVS门限电压时的Vin和Ic_off以及Ic_off=550A时TVS电压VtvsVin/VIc_off/A@Vtvs_th=485VIc_off/A@Vtvs_th=535VVtvs/V@Ic_off=550A25065888245827558879047930047568250032538365052035030450053737522541655840018233457042512326058345072200587结合表2与图6可得下所示Vin与Ic_off关系曲线以及IGBT安全区，曲线1及曲线2下方代表逆变器可持续工作区。0100200300400500600700800900100011001200130014001500160017000100200300400500600Vce/VI/A二极管应力分布Ic,ModuleSOAIc,ChipSOAIc_off/A@485VtvsIc_off/A@585Vtvs图7Vin与Ic_off关系曲线（曲线1及曲线2）以及IGBT安全区4.4TVS持续工作时损耗及温升的评估在实际电路中，很难通过实测得到TVS工作时的电流，所以此处只能根据规格书对损耗及温升进行估算。根据TVS规格书，TVS工作时，电流最大不超过0.86A，当TVS两端钳位电压为535V时，其损耗及温升计算过程为：相电流频率rpmpeNNf60其中，Np为电机极对数，取4；Nrpm为转速，取9000rpm。TVS工作时相电流持续时间为：eppkbrpefIIft2arcsin41*2__上式中Ip_br为TVS开始工作时所对应的相电流根据表2所示，最恶劣的工曲线1曲线2况为Vin=450V，Ic_off=200A，所以Ip_br可取200A；Ipk_p为相电流峰值，由工况决定，这里取550A。TVS损耗：ebrtvsbrtvsbrtvsslosstvsfTVIftP*****____式中Vtvs_br为TVS门限电压，取535V；Ttvs_br为TVS工作时间，通过测量得100ns。TVS温升：jatvslosstvsRPT__*其中Rtvs_ja为TVS热阻，为277W/℃（焊盘大小3×3mm）.最终计算得TVS损耗为0.16W，温升48.76℃.根据规格书，TVS工作电压为485～535V时，其工作电流会在1mA附近，小于以上计算时所取的0.86A，所以，TVS实际温升会远低于48.76℃.逆变器可持续工作区可取图7中的曲线2的下方。