IGBT短路測試方法詳解行業(yè)材料

1、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(shí)施了短路測試，但是實(shí)際上并不徹底和充分。下面2種情況比較常見：1. 沒有實(shí)施短路測試，a. 因?yàn)橛X得這個(gè)實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)太大，容易炸管子，損失太大；b. 覺得短路時(shí)電流極大，很恐怖；2. 實(shí)施了短路測試，但測試標(biāo)準(zhǔn)比較簡單，對短路行為的細(xì)節(jié)沒有進(jìn)行觀察本文將詳細(xì)介紹正確的，完整的短路測試方法，及判斷標(biāo)準(zhǔn)。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小(100nh級)h

2、8667; 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是不確定的一類短路測試的實(shí)施方法一：下圖為實(shí)施一類短路測試時(shí)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(guān)斷，且上管用粗短的銅排進(jìn)行短路。對下管igbt釋放一個(gè)單脈沖，直通就形成了。這就是一個(gè)典型的一類短路測試。一類短路測試的實(shí)施方法一的注意事

3、項(xiàng)：該測試需要注意的事項(xiàng)： 1. 該測試的關(guān)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，因此絕不可忽視圖中所示“粗短銅排”的長短和粗細(xì)；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?yàn)闀r(shí)間極短，所以這個(gè)測試所消耗的能量很小，實(shí)驗(yàn)前后電容上的電壓不會有明顯變化；4. 上管igbt是被一直關(guān)斷的，但是這個(gè)器件不可或缺，因?yàn)橄鹿鼙魂P(guān)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(gè)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

4、銅排的電流，這兩個(gè)位置的電流波形是不同的；7. 下管igbt的脈沖需要嚴(yán)格控制，最開始實(shí)驗(yàn)可以使用10us，然后逐步增加；8. 環(huán)境溫度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大的影響，通常datasheet給出的高結(jié)溫的結(jié)果；對應(yīng)用者而言，常溫實(shí)驗(yàn)是比較現(xiàn)實(shí)的；但低溫時(shí)的短路測試會比較苛刻，如果系統(tǒng)規(guī)格有低溫要求時(shí)，是有必要進(jìn)行測試的；9. 在此實(shí)驗(yàn)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(guān)斷時(shí)的電壓尖峰進(jìn)行評估，以把握好短路時(shí)的電壓尖峰，這個(gè)值可能會非常高；實(shí)驗(yàn)步驟及方法：1. 在弱電情況下，確認(rèn)所發(fā)單脈沖的寬度；2. 將母線電壓調(diào)至2030v，發(fā)送一個(gè)單脈沖，此時(shí)也會發(fā)生短路，會有一

5、定的電流，利用此步驟確認(rèn)電流探頭的方向及其他各物理量測量正確，同時(shí)確認(rèn)示波器能正確捕捉該瞬間；這個(gè)步驟會比較安全；3. 短路測試時(shí)，母線不宜過低，否則可能會見到一些奇異的震蕩；對于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(diǎn)，將進(jìn)線接觸器斷開，放出單脈沖，裝置會發(fā)出“咚”的一聲響，確認(rèn)示波器捕捉到該時(shí)刻；5. 通常來說，如果一切都設(shè)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(xì)節(jié)沒有處理好，存在一定的幾率，該測試會失敗這個(gè)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

6、發(fā)10us的脈沖實(shí)際上是一種嘗試性測試，其目的是，在盡量低風(fēng)險(xiǎn)的情況下，對設(shè)備的短路性能進(jìn)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(jìn)行了保護(hù)，否則，意味著驅(qū)動器保護(hù)電路設(shè)置有問題，需要整改；對結(jié)果的評判（1）下圖為某一個(gè)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

7、散電感，就能得到插入的銅排的感量；2. 關(guān)注短路電流的最高值，與datasheet中標(biāo)注的值進(jìn)行比較，是否過高，電流是否有震蕩；3. 從igbt退飽和算起，至電流被關(guān)斷，期間的時(shí)間是否控 制在10us內(nèi)，這個(gè)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=25，concept瑞士實(shí)驗(yàn)室紅線：ic藍(lán)線：vce綠線：vge4. 短路電流的峰值與門極鉗位電路有很大的關(guān)系，如果門極鉗位性能不好，短路電流峰值會很高；5. 關(guān)注vce電壓，需要多久才退飽和，在關(guān)斷時(shí)刻時(shí)，vce電壓尖峰有多高，是否存在危險(xiǎn)，有源鉗位是否動作；6. 門極電壓的評判需要比較謹(jǐn)

8、慎，因?yàn)檫@個(gè)測試di/dt及du/dt都很大，門極探頭很容易測不準(zhǔn)某品牌1500a/3300v的igbt的一類短路測試，vdc=2200v，tj=25，concept瑞士實(shí)驗(yàn)室紅線：ic藍(lán)線：vce綠線：vge另一個(gè)igbt的測試結(jié)果：下圖是另外一個(gè)1700v的igbt的一類短路測試結(jié)果。這個(gè)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。某品牌450a/1700v的igbt的一類短。路測試，vdc=1200v，tj=25，concept瑞士實(shí)驗(yàn)室紅線：vge藍(lán)線

9、：vce黃線：ic存在問題的波形：下圖是一個(gè)在真實(shí)裝置開發(fā)中有問題的結(jié)果，如果不做調(diào)整這個(gè)igbt會面臨較大風(fēng)險(xiǎn)。下圖是同樣的裝置經(jīng)過調(diào)整，達(dá)到了理想的實(shí)驗(yàn)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(guān)，而門極鉗位的功能只有在這個(gè)時(shí)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(shè)備的短路性能，因此，導(dǎo)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(shí)，米勒電容會影響門極電壓，導(dǎo)致短路電流激增，使igbt承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。越大容量的igbt，米勒效應(yīng)越強(qiáng)，門極鉗位電路越重要。

10、差的門極鉗位的結(jié)果：下圖為某型號2片1500a/3300v并聯(lián)的短路測試波形，使用門極和發(fā)射極間的tvs進(jìn)行門極鉗位，如下圖示。母線電壓為2200v，實(shí)驗(yàn)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：在上頁的基礎(chǔ)上，完全相同的硬件設(shè)置，只是修改了門極鉗位電路。用下圖所示的門極鉗位電路。一類短路測試的實(shí)施方法二下圖為實(shí)施一類短路測試的另外一種方法。給上管igbt驅(qū)動器一個(gè)常高信號，使上管保持開通，再給下管發(fā)單脈沖。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)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。注意事項(xiàng)：1. 在前文介紹的短路測試方法一中，有一個(gè)缺點(diǎn)

11、，如果插入的短路電纜沒有控制好，感量過大，會導(dǎo)致進(jìn)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(dǎo)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(dá)到5000a/us的水平；4. 在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，短路脈沖的寬度必須被控制住，從窄至寬慢慢放開；5. 這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，放出單脈沖的那只igbt總是會先退出飽和區(qū)；二類短路測試方法：在實(shí)際運(yùn)行的機(jī)器中，二類短路是比較容易遇到的短路類型，例如逆變器在拖動電機(jī)時(shí)，電機(jī)定子側(cè)短路，此時(shí)就是二類短路。對這種短路的測試方法是在短路

12、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(dǎo)通后，首先進(jìn)入飽和導(dǎo)通，然后隨著電流的增加，當(dāng)電流到達(dá)igbt的退飽和點(diǎn)時(shí)，igbt電壓迅速上升。這標(biāo)志著igbt退出了飽和區(qū)。然后驅(qū)動器經(jīng)過定時(shí)后，關(guān)斷igbt。過流保護(hù)功能的驗(yàn)證當(dāng)短路回路中的電感量繼續(xù)增大時(shí)，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(hù)電路的關(guān)鍵元器件。關(guān)于霍爾的動態(tài)性能，有2個(gè)參數(shù)是最重要的：1. di/dt 跟隨精度2. 響應(yīng)時(shí)間下圖摘自某霍爾的datasheet：霍爾元件的關(guān)鍵性能指標(biāo)：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(shí)并準(zhǔn)確地跟隨被測電流。霍爾的響應(yīng)時(shí)間通常在1us以內(nèi)，對于過流保護(hù)這項(xiàng)功能來說，已經(jīng)足夠快了，只要系統(tǒng)傳輸這個(gè)信號時(shí)，不要過分的插入慣性環(huán)節(jié)，這個(gè)響應(yīng)時(shí)間是足夠的。霍爾的電流跟隨精度通常能達(dá)到50a/us，或者100a/us，這個(gè)水平也是很快的了，通常過流現(xiàn)象在時(shí)間上并不苛刻，igbt完全能在幾十或者幾百us內(nèi)耐受得住。電流環(huán)的帶寬對系統(tǒng)的貢獻(xiàn)：在電力電子系統(tǒng)中，控制對象總是某個(gè)或者某幾個(gè)物