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IGBT雙脈沖測試原理和步驟

CHANBAEK ? 來源:6424695 ? 2025-02-02 13:59 ? 次閱讀

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)作為電力電子裝置中的核心器件,其性能的穩(wěn)定性和可靠性對整個系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。為了驗(yàn)證IGBT的性能是否過關(guān),雙脈沖測試(Double Pulse Test)成為了一項(xiàng)重要的測試手段。本文將詳細(xì)介紹IGBT雙脈沖測試的原理、意義、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測試步驟以及數(shù)據(jù)分析,以期為相關(guān)技術(shù)人員提供參考。

一、雙脈沖測試的意義

雙脈沖測試在IGBT功率器件應(yīng)用行業(yè)中具有顯著的重要性,其決定了對應(yīng)的IGBT是否會被選用,也是使用者在選型之前的一道篩選手段以及設(shè)計(jì)是否正確的判斷標(biāo)準(zhǔn)。具體來說,雙脈沖測試的意義包括以下幾個方面:

對比性能:可以對比同一品牌不同型號或者同一型號不同品牌的IGBT的性能,幫助用戶選擇最適合自己應(yīng)用的IGBT。

獲取主要參數(shù):通過雙脈沖測試,可以獲取IGBT在開關(guān)過程的主要參數(shù),如開通時間、關(guān)斷時間、開通損耗、關(guān)斷損耗等,以評估Rgon及Rgoff的數(shù)值是否合適,評估是否需要配吸收電路等。

考量實(shí)際表現(xiàn):考量IGBT在變換器中工作時的實(shí)際表現(xiàn),如二極管的反向恢復(fù)電流是否合適,關(guān)斷時的電壓尖峰是否合適,開關(guān)過程是否有不合適的震蕩等。

二、主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

進(jìn)行IGBT雙脈沖測試需要以下主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備:

高壓電源:提供測試所需的高壓直流電源。

電容:用于儲能和濾波,確保測試過程中的電壓穩(wěn)定。

疊層直流母排:用于連接高壓電源和負(fù)載電感,減少雜散電感的影響。

負(fù)載電感:可以自己繞制,不要飽和即可,用于模擬實(shí)際負(fù)載。

被測IGBT及驅(qū)動電路:被測對象,包括IGBT及其驅(qū)動電路。

示波器:最好是4通道,高帶寬,帶函數(shù)功能,采樣點(diǎn)在200MS/s或以上,用于捕捉和顯示測試波形。

高壓差分電壓探頭(1000:1):用于測量IGBT的集電極-發(fā)射極電壓(Vce)。

羅氏線圈電流探頭:用于測量IGBT的集電極電流(Ic)。

編程信號發(fā)生器或簡易信號發(fā)生裝置:用于發(fā)出一組雙脈沖信號,控制IGBT的開通和關(guān)斷。

三、雙脈沖測試原理

雙脈沖測試的基本原理是通過向被測IGBT發(fā)出兩個脈沖信號,觀察其在開通和關(guān)斷過程中的電壓和電流波形,從而評估其性能。測試過程可以分為以下幾個階段:

T1時刻(IGBT First Turn On)

在t0時刻,門極放出第一個脈沖,被測IGBT飽和導(dǎo)通,直流母線電壓U加在負(fù)載L上,電感的電流線性上升,電流表達(dá)式為:Ic=U*t/L。

在t1時刻,電感電流的數(shù)值由U和L決定,在U和L都確定時,電流的數(shù)值由t1決定,時間越長電流越大。

T2時刻(IGBT Off)

在t1-t2時間段,門級信號Vge為低電平,IGBT關(guān)斷,負(fù)載L的電流由上管二極管續(xù)流,該電流緩慢衰減。

T3時刻(IGBT Second Turn On)

在t2時刻,第二個脈沖的上升沿到達(dá),被測IGBT再次導(dǎo)通,續(xù)流二極管進(jìn)入反向恢復(fù),反向恢復(fù)電流會穿過IGBT,在電流探頭上能捕捉到這個電流。此時,重點(diǎn)是觀察IGBT的開通過程,反向恢復(fù)電流是重要的監(jiān)控對象。

在t3時刻,被測IGBT再次關(guān)斷,此時電流較大,因?yàn)槟妇€雜散電感Ls的存在,會產(chǎn)生一定的電壓尖峰。在該時刻,重點(diǎn)是觀察IGBT的關(guān)斷過程,電壓尖峰是重要的監(jiān)控對象。

四、測試步驟

進(jìn)行IGBT雙脈沖測試的步驟如下:

搭建測試平臺:根據(jù)雙脈沖測試原理圖搭建測試平臺,將要測量的信號與示波器連接,包括直流母線Vdc、被測下管IGBT的Ic電流、被測下管IGBT的Vce電壓、上管續(xù)流二極管電流If、上管續(xù)流二極管電壓Vec、被測IGBT門級信號Vge等。示波器通道設(shè)置好比例。

連接主電源:將被測單元與調(diào)壓器連接作為主電源,單元電源使用調(diào)壓器更方便雙脈沖調(diào)試。

檢查與調(diào)試:按照搭建好的測試平臺做好上電前的檢查,著重檢查各測量點(diǎn)是否正確連接及供電電源是否正常。通過直流數(shù)字電源將IGBT驅(qū)動板供電電源慢調(diào)到300V左右,過程中注意觀察IGBT驅(qū)動板卡電源燈狀態(tài)變化。且示波器測量門級信號Vge通道由0V跳至-10V。

下發(fā)脈沖信號:通過脈沖發(fā)生器下發(fā)計(jì)算出的脈沖寬度時間,示波器觸發(fā)模式抓取Vge波形,再次確認(rèn)Vge脈寬與計(jì)算值相符。

觀察波形:功率單元上電,調(diào)壓器先調(diào)至AC50V,下發(fā)雙脈沖信號,示波器抓取波形,觀察各通道波形趨勢是否正常。如果有異常狀態(tài),此電壓下可以保證相對安全性。

調(diào)整電壓:調(diào)壓器慢調(diào)至功率單元額定電壓,下發(fā)雙脈沖波形,觀察各參數(shù)是否符合測試要求。

調(diào)整脈寬:根據(jù)測試數(shù)據(jù),調(diào)整T1和T3的脈寬時間,使First Pulse Icmax為單元額定輸出電流的根號2倍,Second Pulse Icmax為IGBT額定電流的2倍。如存在差異,單元停電放電后調(diào)整T1和T3時間。

五、測試數(shù)據(jù)讀取與分析

測試數(shù)據(jù)的讀取與分析是雙脈沖測試的重要環(huán)節(jié),主要包括開通數(shù)據(jù)和關(guān)斷數(shù)據(jù)的分析。

開通數(shù)據(jù)

開通延時時間Td(on):從10%Vge到10%Ic的時間。

開通上升時間Tr(on):從10%Ic到90%Ic的時間。

開通電流斜率di/dt:從50%Ic到90%Ic的斜率。

開通損耗Eon:按照公式計(jì)算,積分時間為10%Ic到10%的Vce。

關(guān)斷數(shù)據(jù)

關(guān)斷延時時間Td(off):從90%Vge到90%Ic的時間。

關(guān)斷下降時間Tf:從90%Ic到10%Ic的時間。

關(guān)斷電流斜率di/dt:從90%Ic到50%Ic的斜率。

關(guān)斷電壓斜率dv/dt:從50%Vce到70%Vce的斜率。

關(guān)斷損耗Eoff:按照公式計(jì)算,積分時間為10%Vce到10%的Ic。

六、雜散電感計(jì)算

雜散電感是影響IGBT性能的重要因素之一。在IGBT開通時,Ic開始增長,而此時上管IGBT的續(xù)流二極管處于反向恢復(fù),該二極管沒有阻斷能力,上管Uce=0。在Ic開始增長時,雜散電感上感應(yīng)的電壓的方向與母線電壓相反的,此時在下管的Vce上測得的波形出現(xiàn)了一個缺口,這個缺口電壓產(chǎn)生的原因是雜散電感抵消了一部分母線電壓。

可以通過以下公式計(jì)算雜散電感Ls的數(shù)值:Us=Ls*(di/dt)。從示波器上讀出Us和di/dt,代入公式即可算出雜散電感Ls的數(shù)值。

七、注意事項(xiàng)

在進(jìn)行IGBT雙脈沖測試時,需要注意以下幾點(diǎn):

電流和電壓探頭的量程:在保證測試安全范圍內(nèi)盡量選小,減少測量誤差。

測試安全:在進(jìn)行高壓測試時,務(wù)必確保測試設(shè)備和人員的安全。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性:測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對評估IGBT的性能至關(guān)重要,因此應(yīng)確保測試設(shè)備和測試方法的準(zhǔn)確性。

測試環(huán)境:測試環(huán)境應(yīng)盡量接近實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,以更好地反映IGBT在實(shí)際應(yīng)用中的性能。

八、結(jié)論

IGBT雙脈沖測試是一項(xiàng)重要的測試手段,通過測試可以評估IGBT在開通和關(guān)斷過程中的性能表現(xiàn),為IGBT的選型和應(yīng)用提供重要參考。在進(jìn)行測試時,需要選擇合適的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測試方法,并嚴(yán)格按照測試步驟進(jìn)行操作,以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。同時,還需要注意測試過程中的安全問題,確保測試設(shè)備和人員的安全。

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