IGBT双脉冲测试方法

TechnicalTraining2010-10-12IGBT双脉冲测试方法介绍WinsonWei（魏炜）[e-mail]：186-8878-5868ULT1T2T3VgeVceIc双脉冲测试方法的意义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：“双脉冲测试方法”。双脉冲测试平台的电路用高压隔离探头取Vce电压；用罗氏线圈电流探头取Ic；用普通探头测量Vge信号。ULT1T2T3VgeVceIc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。实际上也可以用单个二极管代替这个IGBT。下管IGBT是被测对象！双脉冲测试的基本实验波形VgeIcVce二极管反向恢复电流杂散电感产生的电压尖峰t0t1t2t3双脉冲实验的基本原理（1）ULT1T2T3VgeVceIcVgeVcet0t1Ic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，电感的电流线性上升，电流表达式为：LtUI⋅=在t1时刻，电感电流的数值由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。因此可以自主设定电流的数值。双脉冲实验的基本原理（2）ULT1T2T3VgeVceIcVgeIcVce二极管反向恢复电流t0t1t2负载L上的电流，由二极管续流在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，如图虚线所示。由于电流探头放在下管的发射极处，因此，在二极管续流时，IGBT关断，示波器上是看不见该电流的。双脉冲实验的基本原理（3）ULT1T2T3VgeVceIc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恢复，反向恢复电流会穿过IGBT，在电流探头上能捕捉到这个电流，如图所示。VgeIcVce二极管反向恢复电流t0t1t2负载L上的电流，由二极管续流在t2时刻，重点是观察IGBT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许多重要指标。双脉冲实验的基本原理（4）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，会产生一定的电压尖峰，ULT1T2T3VgeVceIcVgeIcVce二极管反向恢复电流杂散电感产生的电压尖峰t0t1t2t3在t3时刻，重点是观察IGBT的关断过程。电压尖峰是重要的监控对象。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，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，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，3.反向恢复后电流是否有震荡，拖尾有多长，4.Vce电压是否正确变化5.测算出损耗，(依赖示波器功能)红线:Ic蓝线:Vce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。双脉冲实验的关注点----开通过程在IGBT开通时，Rgon的影响很大，它可以影响di/dt的速度，反向恢复电流的峰值，进而决定开通损耗。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。所以确定Rg昀好的方法是靠双脉冲测试法，动态调试该参数。双脉冲测试在并联中的应用！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。dtdiLUSS×=ULVceIcLsUce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。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可靠。双脉冲实验的关注点----关断过程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。为什么要用双脉冲，单脉冲不行吗？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，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个物理量：1.母线电压(U)2.电感电流(I)3.电感量(L)4.脉冲宽度（t）它们之间的关系用下面的式子建立起来：LtUI⋅=我们以FF1000R17IE4为被测对象，做一次计算：实验前的计算工作VgeIcVce二极管反向恢复电流杂散电感产生的电压尖峰t0t1t2t3ULT1T2T3VgeVceIcLtUI⋅=得t=50.9us代入U取IGBT的额定母线电压：1100VI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的空心电感：28uH从上图可知，要使电流在第二个脉冲关断时到达2000A，则2个脉冲的宽度之和为：T1+T3=50.9us实验前的硬件准备工作我们需要的硬件包括：1.高压电源2.电容组3.叠层直流母排4.负载电感（可以自己绕制，不要饱和即可）5.被测IGBT及驱动电路6.示波器（昀好是4通道，高带宽）7.高压差分电压探头8.罗氏线圈电流探头9.可编程信号发生器或简易信号发生装置（发出一组双脉冲信号）实验仪器罗氏线圈电流探头：多通道示波器及高压差分探头：双脉冲测试实验台