IGBT短路測(cè)試方法詳解

1、IGBT短路測(cè)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(cè)試，但是短路測(cè)試常常容易被忽略，或者雖然對(duì)裝置實(shí)施了短路測(cè)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(cè)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(cè)試，但測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)比較簡單，對(duì)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(cè)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(jí))h

2、8667; VCE sat 檢測(cè)橋臂間短路（大電感短路）􀁛 命名為“二類”短路􀁛 相間短路或相對(duì)地短路􀁛 短路回路中的電感量稍大(uH級(jí)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(cè)試的實(shí)施方法一：下圖為實(shí)施一類短路測(cè)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(duì)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(cè)試。一類短路測(cè)試的實(shí)施方法一的注意事

3、項(xiàng)：該測(cè)試需要注意的事項(xiàng)： 1. 該測(cè)試的關(guān)注對(duì)象是電容組，母排，雜散電感，被測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試所消耗的能量很小，實(shí)驗(yàn)前后電容上的電壓不會(huì)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(cè)試需要測(cè)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(cè)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(duì)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(duì)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(cè)試會(huì)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(cè)試的；9. 在此實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)直流母排的雜散電感有一定的評(píng)估，或者用雙脈沖測(cè)試方法對(duì)IGBT關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰進(jìn)行評(píng)估，以把握好短路時(shí)的電壓尖峰，這個(gè)值可能會(huì)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(huì)發(fā)生短路，會(huì)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(cè)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(huì)比較安全；3. 短路測(cè)試時(shí)，母線不宜過低，否則可能會(huì)見到一些奇異的震蕩；對(duì)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(huì)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(cè)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(cè)試會(huì)失敗這個(gè)IGBT會(huì)失效，并將電容的能量全部放掉，一般不會(huì)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(cè)試，其目的是，在盡量低風(fēng)險(xiǎn)的情況下，對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)器釋放出來的脈沖不再增長，則意味著驅(qū)動(dòng)器對(duì)IGBT進(jìn)行了保護(hù)，否則，意味著驅(qū)動(dòng)器保護(hù)電路設(shè)置有問題，需要整改；對(duì)結(jié)果的評(píng)判（1）下圖為某一個(gè)測(cè)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(cè)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(cè)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(huì)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(dòng)作；6. 門極電壓的評(píng)判需要比較謹(jǐn)

8、慎，因?yàn)檫@個(gè)測(cè)試di/dt及du/dt都很大，門極探頭很容易測(cè)不準(zhǔn)某品牌1500A/3300V的IGBT的一類短路測(cè)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(cè)試結(jié)果：下圖是另外一個(gè)1700V的IGBT的一類短路測(cè)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(jí)，電流等級(jí)的IGBT 其短路行為會(huì)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(cè)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(huì)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(cè)試：在短路測(cè)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(cè)試設(shè)備的短路性能，因此，導(dǎo)致了對(duì)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(huì)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(hào)2片1500A/3300V并聯(lián)的短路測(cè)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(cè)試的實(shí)施方法二下圖為實(shí)施一類短路測(cè)試的另外一種方法。給上管IGBT驅(qū)動(dòng)器一個(gè)常高信號(hào)，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(cè)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(huì)導(dǎo)致進(jìn)入了二類短路；2. 在并聯(lián)的情形下做短路測(cè)試方法一，如果并聯(lián)的橋臂中插入的感量不一致，不對(duì)稱，非常容易導(dǎo)致炸管；3. 短路測(cè)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(huì)先退出飽和區(qū)；二類短路測(cè)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(dòng)電機(jī)時(shí)，電機(jī)定子側(cè)短路，此時(shí)就是二類短路。對(duì)這種短路的測(cè)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(cè)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(dòng)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(huì)變成過流。過流的特征是：1. 電流斜率較低，霍爾器件能偵測(cè)到；2. 電流一定會(huì)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(dòng)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(cè)試方法，把IGBT的電流測(cè)出來并顯示在示波器上，并以此為參考。將霍爾的輸出信號(hào)，經(jīng)過系統(tǒng)的濾波后，也放在示波器上。觀察所檢測(cè)的信號(hào)是否能及時(shí)并準(zhǔn)確地跟隨被測(cè)電流?；魻柕捻憫?yīng)時(shí)間通常在1us以內(nèi)，對(duì)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(hào)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(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)：在電力電子系統(tǒng)中，控制對(duì)象總是某個(gè)或