IGBT双脉冲测试方法

Technical Training 2010-10-12 IGBT双脉冲测试方法介绍 Winson Wei （魏炜） CT-Concept Technologie AG - Switzerland Wei.wei@igbt-driver.com Mobile：186-8878-5868 U L T1 T2 T3 Vge Vce Ic 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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，最有效的方法就是：“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。 U L T1 T2 T3 Vge Vce 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 。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 Vge Ic Vce 二极管反向恢复电流 杂散电感产生的电压尖峰 t0 t1 t2 t3 双脉冲实验的基本原理（1） U L T1 T2 T3 Vge Vce Ic Vge Vce t0 t1 Ic 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： L tUI ⋅= 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） U L T1 T2 T3 Vge Vce Ic Vge Ic Vce 二极管反向恢复电流 t0 t1 t2 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） U L T1 T2 T3 Vge Vce Ic 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。 Vge Ic Vce 二极管反向恢复电流 t0 t1 t2 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， U L T1 T2 T3 Vge Vce Ic Vge Ic Vce 二极管反向恢复电流 杂散电感产生的电压尖峰 t0 t1 t2 t3 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最好的方法 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。 dt diLU SS ×= U L Vce Ic Ls Uce 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 会达到最高值，比正常工作 时要高得多，通常可以使用 有源钳位电路(Active Clamping)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： L tUI ⋅= 我们以FF1000R17IE4为被测对象，做一次计算： 实验前的计算工作 Vge Ic Vce 二极管反向恢复电流 杂散电感产生的电压尖峰 t0 t1 t2 t3 U L T1 T2 T3 Vge Vce Ic L tUI ⋅= 得 t=50.9us 代入U取IGBT的额定母线电压： 1100V I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（最好是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