13-IGBT双脉冲测试方法介绍-魏炜-20110730-Rev03

TechnicalTraining2011-7-30LRev03IGBT双脉冲测试方法介绍UVceWinsonWei（魏炜）[e-mail]：186-8878-5868VgeIc：T1T2T3双脉冲测试方法的意义1对比不同的IGBT的参数例如同品牌的不同系1.对比不同的IGBT的参数，例如同一品牌的不同系列的产品的参数，或者是不同品牌的IGBT的性能。2.获取IGBT在开关过程的主要参数，以评估Rgon及Rgoff的数值是否合适，评估是否需要配吸收电路等。3.考量IGBT在变换器中工作时的实际表现。例如二极管的反向恢复电流是否合适，关断时的电压尖峰是否合适，开关过程是否有不合适的震荡等。怎样认识IGBT的特性？通常我们对某款G的认识主要是通过阅读相应的通常我们对某款IGBT的认识主要是通过阅读相应的datasheet，但实际上，数据手册中所描述的参数是基于一些已经给定的外部参数测试得来的而实际应用中的些已经给定的外部参数测试得来的，而实际应用中的外部参数都是个性化的，往往会有所不同，因此这些参数有些是不能直接拿来使用的。我们需要了解IGBT在具体应用中更真实的表现。在datasheet中，描述IGBT的开关的行为的参数主要包括：tdon,tr,tdoff,tf,Eon,Eoff,ISC等要观测这些参数，昀有效的方法就是：“双脉冲测试方要观测这些参数，昀有效的方法就是：双脉冲测试方法”。双脉冲测试平台的电路下管的IGBT及上管的二极用高压隔离探头取V电压L下管的IGBT及上管的二极管是被测对象！用高压隔离探头取Vce电压；用罗氏线圈电流探头取Ic；用普通探头测量Vge信号UV用普通探头测量Vge信号。Vce上管IGBT的门极上加了Ic上管IGBT的门极上加了负压，因此它是关断的，只有续流二极管在起作用T1T2T3Vge只有续极管在作。实际上也可以用单个二极管代替这个IGBT。T1T2T3双脉冲测试的基本实验波形杂散电感产生的电压尖峰Vge杂散电感产生的电压尖峰VceIc二极管反向恢复电流t0t1t2t3双脉冲实验的基本原理（1）在时刻门极放出第个在t0时刻，门极放出第一个脉冲，被测IGBT饱和导通，电动势U加在负载L上电感电动势U加在负载L上，电感的电流线性上升，电流表达式为：式为LtUI⋅=VgeVceL在t1时刻，电感电流的数值由决定在都确定时U和L决定，在U和L都确定时，电流的数值由t1决定，时间越长电流越大因此可以自t0t1Ic越长，电流越大。因此可以自主设定电流的数值。双脉冲实验的基本原理（2）L在时刻被测关断UVce在t1时刻，被测IGBT关断，负载L的电流由上管二极管续流该电流缓慢衰减如VgeIc续流，该电流缓慢衰减，如图虚线所示。T1T2T3Vge由于电流探头放在下管的发射极处因此在二极管续射极处，因此，在二极管续流时，IGBT关断，示波器上是看不见该电流的。是看不见该电流的。双脉冲实验的基本原理（3）在时刻第个脉冲的上L在t2时刻，第二个脉冲的上升沿到达，被测IGBT再次导通续流二极管进入反向UVce导通，续流二极管进入反向恢复，反向恢复电流会穿过IGBT，在电流探头上能捕VIc在电流探头能捕捉到这个电流，如图所示。T1T2T3Vge在t2时刻，重点是观察IGBT的开通过程反向恢复电流的开通过程。反向恢复电流是重要的监控对象，该电流的形态直接影响到换流过程的形态直接影响到换流过程的许多重要指标。双脉冲实验的基本原理（4）在时刻被测再次关L在t3时刻，被测IGBT再次关断，此时电流较大，因为母线杂散电感的存在会产生UVce线杂散电感的存在，会产生一定的电压尖峰，VgeIc在t3时刻，重点是观察的关断过程电压尖T1T2T3VgeVge杂散电感产生的电压尖峰IGBT的关断过程。电压尖峰是重要的监控对象。VceIc二极管反向恢复电流t0t1t2t3脉冲实验的实测波形双脉冲实验的实测波形双脉冲实验的关注点----开通过程右图是IGBT典型的开通波形，当门极电压到达门槛值时IGBT导通I开始增长时，IGBT导通，Ic开始增长，直到Ic基本到达电感电流的数值，续流二极管进入反的数值，续流二极管进入反向恢复后，IGBT的Vce才开始下降，反向恢复过程结束后，续流二极管截止，Vce到达饱和值，换流过程完成。双脉冲实验的关注点----开通过程右图是IGBT实测开通波形右图是IGBT实测开通波形，我们需要关注的点是：1.二极管的反向恢复电流的di/dt，2.二极管的反向恢复电流的峰值的峰值，3.反向恢复后电流是否有震荡，拖尾有多长，震荡，拖尾有多长，4.Vce电压是否正确变化5.测算出损耗，(依赖示波红线:Ic蓝线:Vce绿线V器功能)调整门极电阻R可以强烈地影响该过程用绿线:Vge调整门极电阻Rgon可以强烈地影响该过程，用以确定Rgon的数值是否合适。关于二极管的讨论IGBT中的续流二极管实际上是个非常重要的元件但往IGBT中的续流二极管，实际上是一个非常重要的元件，但往往容易被忽视。请注意以下几条：1.在IGBT开通的时刻，实际上是续流二极管关断的时刻。2所有的功率半导体，包括IGBT芯片和二极管芯片，在关2.所有的功率半导体，包括IGBT芯片和二极管芯片，在关断的时刻面临的风险远大于其开通时面临的风险。换句话说，在IGBT关断的时刻，IGBT芯片的损坏风险是昀大的；在IGBT开通的时刻，二极管芯片的损坏风险是昀大的。在IGBT开通的时刻，极管芯片的损坏风险是昀大的。3.IGBT芯片出现短路时，驱动器可以帮忙保护；但二极管芯片损坏时有其他的防护手段芯片损坏时，没有其他的防护手段IGBT开通过程中二极管的风险点（1）右图是二极管的安全工作区的示意图。实际上这是一条恒功率曲线。其意义是：二极管在反向恢复过程中，其瞬时功率不能超过规定的数值，否则就有损坏的风险。二极管在反向恢复的过程中，实际上是其工作点从导通过度实际上是其工作点从导通过度到截止。其工作点的运动轨迹有多种选择，如右图所示。显然轨迹A是昀安全的轨迹C然，轨迹A是昀安全的，轨迹C则是危险的。IGBT开通过程中二极管的风险点（2）右图表示的是二极管反向恢复时，实测的电压及电流波形，同时利用示波器计算出瞬时损同时利用示波器计算出瞬时损耗的波形。二极管反向恢复电流上升时，杂散电感上产生的电压是与母线电压相抵的。反向恢复电流下降时，杂散电感电压与母线电压同向，电压落在二极管上二极管出现电压尖峰风险加大如果杂散电感比较大二极极管上，二极管出现电压尖峰，风险加大。如果杂散电感比较大，二极管就更加危险了，容易跑出安全工作区。IGBT开通过程中二极管的风险点（3）二极管的电压尖峰是由于杂散电感与二极管反向恢复电流的后沿相作用而产生的所以减小直流相作用而产生的。所以减小直流母排的杂散电感及优化反向恢复电流的后半沿的斜率都可以有效提高二极管的安全裕量提高二极管的安全裕量。图中红色线为二极管的瞬时功率，在二极管反向恢复电流达到昀大值后，二极管的功率也达到昀大值如果此时二极管电压尖峰明显则二极管损二极管的功率也达到昀大值，如果此时二极管电压尖峰明显，则二极管损坏的风险将大大增加，因此杂散电感大小对二极管意义也很大。IGBT开通过程中二极管的风险点（4）通常在IGBT的datasheet中，关于二极管的部分会注明反向恢复电流的昀大的di/dt水平，通常不能超过这个数值。否则可能导致反向恢复电流震荡。二极管反向恢复电流的前沿的斜率受Rgon的影响很大，但反向恢复电流流震荡的后沿的形状（即其下降的部分），主要由IGBT厂商设计出来的。在大功率的场合，通常需要追求的二极管的软度。这主要体现在反向恢复电流的后沿的形状。通过开通过程观察并联的动态均流水平在开通时在IGBT开通时，Rgon的影响很大，它可以影响di/dt的速度反向恢下图是在3个IGBT并联的情况下测试的开通波形，蓝橙红分别响di/dt的速度，反向恢复电流的峰值，进而决定开通损耗。为3个IGBT的Ic。用此方法可以很准确的测试出动态均流的情况从而进行动态均流调试定开损耗所以确定Rg昀好的方法是靠双脉冲测试法动况。从而进行动态均流调试。是靠双脉冲测试法，动态调试该参数。双脉冲测试在并联中双脉冲测试在并联中的应用！利用通过程测量主电路杂散电感利用开通过程测量主电路杂散电感在IGBT开通时，Ic开始增长，而此时上管在IGBT开通时，Ic开始增长，而此时上管IGBT的续流二极管处于反向恢复，该二极管没有阻断能力，上管Uce=0。在I开始增长时杂散电感上感应的电压的Us在Ic开始增长时，杂散电感上感应的电压的方向如图所示，是与母线电压相反的，所以此时在下管的Vce上测得的波形出现了一个缺口如右图波形中的虚线所示这个缺口Us缺口，如右图波形中的虚线所示。这个缺口电压产生的原因是杂散电感抵消了一部分母线电压。也就是说，缺口的电压是杂散电感上的感应电压。didtdiLUSS×=LLsUce上的感应电压。dtUVce从示波器上读出Us，再读出di/dt，代进上式，就能算出杂散电感Ls的数值。这个模型是比较准确的因此得出的数据比较Ic这个模型是比较准确的，因此得出的数据比较可靠。双脉冲实验的关注点----关断过程关断过程的关注点为V的电关断过程的关注点为Vce的电压尖峰，它是直流母线杂散电感与di/dt的乘积通过观察这感与di/dt的乘积，通过观察这个尖峰，可以评估IGBT在关断时的安全程度。Vce尖峰一般都客观存在，在短路或者过载时，这个尖峰短路或者过载时，这个尖峰会达到昀高值，比正常工作时要高得多，通常可以使用有源钳位电路(ActiveClamping)进行抑制。对关断过程中电压尖峰的认识通常在大功率的的应用中有源钳位的功能是非常必要的而通常在大功率的IGBT的应用中，有源钳位的功能是非常必要的，而功率越小，必要性越低。其原因是随着系统的功率变大，IGBT的di/dt会增大，且杂散电感也会越大，因此电压尖峰会越高。IGBT型号关断额定电流时的di/dt下表说明不同IGBT在关断额定电流时的di/dt的水平：FF150R12KT41500A/usFF600R12IE44000A/usFF1400R12IP47000A/us在IGBT短路时，关断短路电流的di/dt会更高，比关断额定电流要高很多因此短路时电压尖峰更高所以有可能出现驱动器发高很多，因此短路时电压尖峰更高。所以有可能出现，驱动器发现了IGBT的短路现象，并且也及时关断，但是由于di/dt太高，产生了非常高的电压尖峰，在关断该短路电流后仍然可以打坏了IGBT。这时，有源钳位电路就非常必要。为什么要用双脉冲，单脉冲不行吗？在大部分电力电装中负载的电感都较大在大部分电力电子装置中，负载的电感量都比较大，在IGBT关断后，电感电流一般不会断流，二极管会一直续流，在此时开通IGBT，会有二极管的反向恢复过程而单脉冲实验中是没有二极管反向恢复过程的程。而单脉冲实验中是没有二极管反向恢复过程的，因而双脉冲实验比单脉冲实验真实。但是单脉冲实验可以充分观察关断过程如果只需要但是单脉冲实验可以充分观察关断过程，如果只需要关注关断过程，则单脉冲实验也是可以的。实验前的计算工作在这个实验中涉及4个在这个实验中，涉及4个物理量：1.母线电压(U)它们之间的关系用下面的式子建立起来：1.母线电压(U)2.电感电流(I)3.电感量(L)脉冲宽度LtUI⋅=4.脉冲宽度（t）我们以FF1000R17IE4为被测对象，做一次计算：实验前的计算工作Vge杂散电感产生的电压尖峰VceULVceIc极管反向恢复电流t0t1t2t3VgeIcU取IGBT的额定母线电压二极管反向恢复电流T1T2T3tUI⋅=代入U取IGBT的额定母线电压：1100VI取此IGBT的安全工作区的LI=代入得t=51usI取此IGBT的安全工作区的边缘：2000A，L取实验室条件下简单绕制从上图可知，要