IGBT短路測試方法詳解

1、實用文案IGBT短路測試方法詳解在開發(fā)電力電子裝置的過程中，我們需要做很多的測試，但是短路測試常常容易被忽略，或者雖然對裝置實施了短路測試，但是實際上并不徹底和充分。下面2種情況比較常見：1 .沒有實施短路測試，a.因為覺得這個實驗風險太大，容易炸管子，損失太大；b.覺得短路時電流極大，很恐怖；2 .實施了短路測試，但測試標準比較簡單，對短路行為的細節(jié)沒有進行觀察本文將詳細介紹正確的，完整的短路測試方法，及判斷標準。短路的定義（1）:橋內(nèi)短路（直通）命名為“一類”短路硬件失效或軟件失效短路回路中的電感量很?。?00nH級）VCE sat檢測橋臂間短路（大電感短路） 命名為“二類”短路相間短路或

2、相對地短路短路回路中的電感量稍大（uH級的）可以使用Vcesat ,也可以使用霍爾，根據(jù)電流變化率來定這類短路的回路中的電感量/不確定的標準文檔實用文案一類短路測試的實施方法一：下圖為實施一類短路測試時的示意圖。電網(wǎng)電壓經(jīng)過調(diào)壓器，接觸器，將母線電容電壓充到所需要的值，再斷開接觸器。上管IGBT的門極被關斷，且上管用粗短的銅排進行短路。對下管IGBT釋放一個單脈沖，直通就形成了。這就是一個典型的一類短路測試。調(diào)壓器+整流該測試需要注意的事項：1.該測試的關注對象是電容組，母排，雜散電感，被測IGBT;2短路回路中的電感量很低，所以上管的短路排的電感量可以極大地影響測量的結(jié)果,粗短的銅排VC調(diào)壓

3、器-整流3 .短路測試的能量全部來自母排電容組，通常來說，雖然短路電流很大，但是因為時 間極短，所以這個測試所消耗的能量很小，實驗前后電容上的電壓不會有明顯變化；標準文檔實用文案4 .上管IGBT是被一直關斷的，但是這個器件不可或缺，因為下管被關斷后，短路電 流還需要由上管二極管續(xù)流；5 .該測試需要測量三個物理量，分別是，下管的 Vce, Vge,及Ic ;6 .電流探頭需要測量圖中Ic的位置，而不是短銅排的電流，這兩個位置的電流波形 是不同的；7 .下管IGBT的脈沖需要嚴格控制，最開始實驗可以使用10us,然后逐步增加；8 .環(huán)境溫度對實驗結(jié)果有較大的影響，通常 datasheet給出的

4、高結(jié)溫的結(jié)果；對應用 者而言，常溫實驗是比較現(xiàn)實的；但低溫時的短路測試會比較苛刻，如果系統(tǒng)規(guī)格有低溫要求時，是有必要進行測試的；9 .在此實驗前需要對直流母排的雜散電感有一定的評估，或者用雙脈沖測試方法對IGBT關斷時的電壓尖峰進行評估，以把握好短路時的電壓尖峰，這個值可能會非常高； 實驗步驟及方法：1 .在弱電情況下，確認所發(fā)單脈沖的寬度；2 .將母線電壓調(diào)至2030V,發(fā)送一個單脈沖，此時也會發(fā)生短路，會有一定的電流， 利用此步驟確認電流探頭的方向及其他各物理量測量正確，同時確認示波器能正確捕 捉該瞬間；這個步驟會比較安全；3 .短路測試時，母線不宜過低，否則可能會見到一些奇異的震蕩；對于

5、 1200V的IGBT, 母線為 500V起；1700V 的 IGBT,母線為 700V起；3300V的 IGBT, 1000V起；4 .母線加到額定點，將進線接觸器斷開，放出單脈沖，裝置會發(fā)出“咚”的一聲響， 確認示波器捕捉到該時刻；5 .通常來說，如果一切都設置正確的話，短路測試是很容易成功的，但也可能由于某些細節(jié)沒有處理好，存在一定的幾率，該測試會失敗一一這個IGBT會失效，并將電容的能量全部放掉，一般不會爆炸得很厲害；6 .第一次發(fā)10us的脈沖實際上是一種嘗試性測試，其目的是，在盡量低風險的情況 下，對設備的短路性能進行最初步的摸底；7 .如果第一次10us測試已經(jīng)發(fā)現(xiàn)波形有問題，則

6、需要整改；8 .如果第一次10us測試發(fā)現(xiàn)IGB沒有發(fā)生退飽和現(xiàn)象，則可能意味著短路回路電感 量太大，需要整改；9 .如果第一次10us測試發(fā)現(xiàn)波形正常，可以脈沖延長至12us,再做，再延長到15us,再做，如果發(fā)現(xiàn)驅(qū)動器釋放出來的脈沖不再增長，則意味著驅(qū)動器對IGBT進行了保護，否則，意味著驅(qū)動器保護電路設置有問題，需要整改；對結(jié)果的評判（1）下圖為某一個測試結(jié)果，1 .用電流的上升率di/dt求出短路回路中的全部電感量，再減去之前測出的雜散電感， 就能得到插入的銅排的感量；2 .關注短路電流的最高值，與 datasheet中標注的值進行比較，是否過高，電流是否 有震蕩；標準文檔實用文案3

7、.從IGBT退飽和算起，至電流被關斷，期間的時間是否控 制在10us內(nèi)，這個條件 是不可以妥協(xié)的；某品牌1500A/3300V的IGBT的一類短路測試，Vdc=2200V, Tj=25C,CONCEPTt實驗室紅線：Ic藍線：Vce綠線：Vge4 .短路電流的峰值與門極鉗位電路有很大的關系，如果門極鉗位性能不好，短路電流 峰值會很高；5 .關注Vce電壓，需要多久才退飽和，在關斷時刻時，Vce電壓尖峰有多高，是否存在危險，有源鉗位是否動作；6 .門極電壓的評判需要比較謹慎，因為這個測試 di/dt及du/dt都很大，門極探頭很 容易測不準某品牌1500A/3300V的IGBT的一類 短路測試，

8、Vdc=2200V, Tj=25C,標準文檔實用文案CONCEPTt實驗室紅線藍線IcVce綠線：Vge另一個IGBT的測試結(jié)果：下圖是另外一個1700V的IGBT的一類短路測試結(jié)果。這個IGBT的速度比較快，因此 Vce開始先下降，然后IGBT才發(fā)生退飽和，Vce才上升 至直流母線。不同的品牌，代數(shù)，電壓等級，電流等級的IGBT其短路行為會有差別，不過本質(zhì)是相同的ini號0 幅 41 Ml某品牌450A/1700V的IGBT的一類短 路測試，Vdc=1200V, Tj=25C, CONCEPTt實驗室紅線：Vge 藍線：Vce 黃線：Ic存在問題的波形:卜圖是一個在真實裝置開發(fā)中有問題的結(jié)果

9、，如果不做調(diào)整這個IGBT會面臨較大風險標準文檔實用文案卜圖是同樣的裝置經(jīng)過調(diào)整，達到了理想的實驗結(jié)果門極鉗位(gate clamping )功能的測試：在短路測試中，電流的形狀與門極鉗位電路的性能密切相關，而門極鉗位的功能只有 在這個時候才能體現(xiàn)出來。由于很多人都不太了解IGBT的短路行為，或者是沒有深入測試設備的短路性能，因此，導致了對門極鉗位電路的不重視。門極鉗位電路出現(xiàn)的 原因是IGBT存在米勒電容，在IGBT短路時，米勒電容會影響門極電壓，導致短路電 流激增，使IGBT承擔風險。越大容量的IGBT,米勒效應越強，門極鉗位電路越重要。差的門極鉗位的結(jié)果：下圖為某型號2片1500A/33

10、00V并聯(lián)的短路測試波形，使用門極和發(fā)射極間的TVS進行門極鉗位，如下圖示。母線電壓為2200V,實驗結(jié)果顯示,IGBT的電流峰值為13.36kA。CH1,2: VgeCH3 4: Vce好的門極鉗位的結(jié)果：標準文檔實用文案在上頁的基礎上，完全相同的硬件設置，只是修改了門極鉗位電路。用下圖所示的門極鉗位電路CHJ WOV IM* WM 500DSErt/5 J F WV-Fib-12 2W一類短路測試的實施方法訊卜圖為實施一類短路測試的另外一種方法。給上管IGBT驅(qū)動器一個常高信號，使上管保持開通，再給下管發(fā)單脈沖。這個實驗的優(yōu)點是，確保短路回路中的電感量就是直流母線的雜散電感，足夠低。調(diào)壓滯

11、+整流|VeeIe注意事項:1 .在前文介紹的短路測試方法一中，有一個缺點，如果插入的短路電纜沒有控制好，感量過大，會導致進入了二類短路；2 .在并聯(lián)的情形下做短路測試方法一，如果并聯(lián)的橋臂中插入的感量不一致，不對稱，非常容易導致炸管；3 .短路測試方法二中，短路回路的電感量非常穩(wěn)定，就等于電容，母排， IGBT模塊的雜散電感之和，短路電流變化率很高，輕易就能達到5000A/US的水平；4 .在這個實驗中，短路脈沖的寬度必須被控制住，從窄至寬慢慢放開；標準文檔實用文案5 .這個實驗中，放出單脈沖的那只IGBT總是會先退出飽和區(qū);調(diào)壓器+整流二類短路測試方法: 在實際運行的機器中，二類短路是比較

12、容易遇到的短路類型，例如逆變器在拖動電機 時，電機定子側(cè)短路，此時就是二類短路。對這種短路的測試方法是在短路回路中插入某一數(shù)值的感量，然后觀察其短路行為波形右圖所示為二類短路的測試波形，IGBT導通后，首先進入飽和導通，然后隨著電流的 增加，當電流到達IGBT的退飽和點時，IGBT電壓迅速上升。這標志著IGBT退出了飽 和區(qū)。然后驅(qū)動器經(jīng)過定時后，關斷IGBT。標準文檔實用文案當短路回路中的電感量繼續(xù)增大時，就會變成過流。過流的特征是：1 .電流斜率較低，霍爾器件能偵測到；2 .電流一定會流過橋臂輸出端；因此，霍爾元件就是過流保護電路的關鍵元器件。關于霍爾的動態(tài)性能，有 2個參數(shù) 是最重要的：

13、1 . di/dt 跟隨精度2 .響應時間下圖摘自某霍爾的 datasheet :I靖應時間同 90 % of'皿耳< 1di/dtdi/dt 跟隨精度> 100霍爾元件的關鍵性能指標：用雙脈沖測試方法，把IGBT的電流測出來并顯示在示波器上，并以此為參考。將霍爾 的輸出信號，經(jīng)過系統(tǒng)的濾波后，也放在示波器上。觀察所檢測的信號是否能及時并 準確地跟隨被測電流?；魻柕捻憫獣r間通常在 1us以內(nèi)，對于過流保護這項功能來說，已經(jīng)足夠快了，只要 系統(tǒng)傳輸這個信號時，不要過分的插入慣性環(huán)節(jié)，這個響應時間是足夠的。霍爾的電 流跟隨精度通常能達到 50A/us,或者100A/us,這個水平也是很快的了，通常過流現(xiàn) 象在時間上并不苛刻，IGBT完全能在幾十或者幾百 us內(nèi)耐受得住。標準文檔實用文案電流環(huán)的帶寬對系統(tǒng)的貢獻：I在電力電子系統(tǒng)中，控制對象總是某個或者某