IGBT 開關(guān)特性離線測試系統(tǒng)

1、IGBT開關(guān)特性離線測試系統(tǒng)陳娜,何湘寧,鄧焰,沈燕群,江劍,熊妍(浙江大學(xué)電力電子技術(shù)國家專業(yè)實驗室,浙江省杭州市 310027An Off-line IGBT Switching Characteristics Measurement SystemCHEN Na, HE Xiang-ning, DENG Yan, SHEN Yan-qun, JIANG Jian, XIONG Yan (National Laboratory of Power Electronics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, Chin

2、aABSTRACT: An off-line Insulated gate bipolar transistor (IGBT switching characteristics measurement system was introduced. There are two parts in this system: a test platform and a modeling platform. A man-machine interface based on LabVIEW was adopted on the computer, through which users could cho

3、ose parameters such as bus voltage, load current, temperature, gate voltage, and gate resistor. The computer performed serial communication with DSP via RS232 interface, controlled the oscilloscope via GPIB interface and recorded turn-on and turn-off current and voltage waveforms. Switching losses m

4、odels (power function model, power function and polynomial model, neural network model were established on the basis of testing data. The switching characteristics measurement system has realized IGBT switching losses measurement and losses model establishment and provides switching losses forecast

5、for device users.KEY WORDS: IGBT; switching characterization; switching loss; off-line test摘要:介紹一套容量為1200V/150A的絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT開關(guān)特性離線測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)包括器件開關(guān)特性的硬件測試平臺和開關(guān)損耗建模軟件平臺兩部分。硬件測試平臺將計算機作為控制中心,根據(jù)用戶在LabVIEW界面上選擇的母線電壓、集電極電流、門極電壓、門極電阻以及溫度等參數(shù),通過RS232接口控制DSP完成開關(guān)特性測試,通過GPIB接口

6、設(shè)置示波器,保存記錄的波形。軟件建模平臺利用記錄的電壓、電流波形數(shù)據(jù),采用3種平均模型(冪函數(shù)模型,冪函數(shù)與多項式結(jié)合的模型,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立開關(guān)損耗模型。該系統(tǒng)實現(xiàn)了電力電子器件開關(guān)特性測量和損耗模型建立,方便用戶預(yù)測工作范圍內(nèi)任一測試條件下的器件開關(guān)損耗。關(guān)鍵詞:IGBT;開關(guān)特性;開關(guān)損耗;離線測試基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(50737002。Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50737002.0 引言變換器的性能與功率器件開關(guān)特性緊密相關(guān)。開關(guān)損耗制約高頻變換器工作效率、頻率及功率密

7、度的提高。器件開關(guān)特性直接決定開關(guān)損耗,器件開關(guān)過程的d u/d t和d i/d t還會引起電流、電壓過沖以及電磁干擾等問題1-4。目前設(shè)計者多采用計算法估算功率開關(guān)管的在線允許損耗,即參照制造商提供的參數(shù),根據(jù)損耗模型進行計算5-6。這種方法存在以下不足7:計算法中考慮的因素不全面;引用的手冊參數(shù)值不準(zhǔn)確不可重復(fù);本身帶有一定的假設(shè)性,受限于模型;環(huán)境因素、安裝工藝、負載性質(zhì)對實際允許損耗的影響無實用算法。為優(yōu)化變換器設(shè)計,分析開關(guān)器件真實性能,需要對實際工作點下的開關(guān)器件特性進行準(zhǔn)確測量,考察電路參數(shù)與器件開關(guān)損耗的關(guān)系并建立模型。如何準(zhǔn)確測量并記錄器件開關(guān)過程成為研究熱點8-17。其中涉

8、及到一些關(guān)鍵問題,如電路版圖設(shè)計,元器件寄生電感最小化18,最小測量系統(tǒng)帶寬的確定,測量系統(tǒng)等效帶寬8,電壓、電流測量設(shè)備選擇19,減小地環(huán)路,探尖到地的環(huán)路電感等。本文研制一套容量為1200V/150A的IGBT開關(guān)特性離線測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié)開關(guān)器件的工作參數(shù),自動測試并記錄開關(guān)器件在不同母線電壓U DC、工作電流I C、溫度T j、門極電壓U GE、門極電阻R G等參數(shù)情況下的集電極電壓U CE、集電極電流I C的開通、關(guān)斷波形,并在測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上自動完成器件開關(guān)損耗模型的建立。1 測試系統(tǒng)工作原理本測試系統(tǒng)包含功率器件開關(guān)特性的硬件測試平臺和損耗建模軟件平臺兩部分,如圖1所示。

9、第12期陳娜等:IGBT開關(guān)特性離線測試系統(tǒng) 51圖1 IGBT開關(guān)特性離線測試系統(tǒng)Fig. 1 Off-line IGBT switching characteristics test system 硬件測試平臺由4部分構(gòu)成,如圖2所示。計算機是系統(tǒng)的控制中心,用戶通過LabVIEW人機界面輸入和選擇測試條件,計算機通過RS232接口控制DSP完成測試,通過PCI轉(zhuǎn)GPIB接口連接示波器,設(shè)置示波器的時間軸、通道靈敏度以及觸發(fā)方式,并將示波器記錄下來的波形數(shù)據(jù)保存到計算機上。建模系統(tǒng)利用存儲波形計算開關(guān)損耗并建立損耗模型,得到損耗與各參數(shù)之間的關(guān)系,方便用戶預(yù)測器件允許工作范圍內(nèi)任一測試條件

10、下的器件開關(guān)損耗。 圖2測試系統(tǒng)框圖Fig. 2 Test system block diagram開關(guān)特性硬件測試平臺工作原理如圖3所示,母線電壓U DC的調(diào)節(jié)范圍為2001000V;器件電流I C調(diào)節(jié)范圍為5150A;器件結(jié)溫T j調(diào)節(jié)范圍為25175。測試硬件系統(tǒng)的詳細指標(biāo)如表1所示。測試電路采用雙脈沖測試時序的感性負載電路(負載電感量1409H,如圖4所示。t0時刻門極電壓u GE變高,IGBT導(dǎo)通,集電極電流i C開始上升,直到上升至選定的電流值I C(t1時刻,u GE變低, IGBT關(guān)斷,得到關(guān)斷過程的集電極電壓u CE、電流 圖3測試臺原理圖Fig. 3 Test system

11、 principle diagram表1測試系統(tǒng)詳細指標(biāo)Tab. 1 Test system detailed specifications 名稱參數(shù)1 參數(shù)2母線電壓U DC /V200, 300, 400, 500(耐壓600V器件200, 400, 600, 800, 1000(耐壓1200V器件 器件電流I C /A5, 10, 20, 30, 40, 50, 60,80, 100, (120, 150器件結(jié)溫T j /25, 50, 75, 100, 125, 150, (175門極電壓 ±U GE /V +15, +16, +170, 7, 10+15, +17, +19

12、0, 7, 10門極電阻R G /5.1, 10, 20, 30, 51, 100, 200, 300共有8檔可調(diào)(a 測試電路 (b 測試時序UiUi圖4器件開關(guān)特性測試電路及測試時序Fig. 4 Test circuit and control signali C的波形;t1時刻起,電感通過二極管續(xù)流,至t2時刻,門極電壓變高,IGBT再次導(dǎo)通,得到開通過程的電壓、電流波形。若負載電感量足夠大,繞線電阻足夠小,t1到t2時間足夠短,可以認(rèn)為t2時刻IGBT的開通電流值等于t1時刻的關(guān)斷電流值; t3時刻,門極電壓再次變低,IGBT關(guān)斷,二極管續(xù)流,直至電流降為零,測試過程結(jié)束。該測試電路結(jié)

13、構(gòu)簡單,可以在很短的時間內(nèi)完成測量,盡量減少開關(guān)損耗引起的器件溫升在測量中產(chǎn)生的偏差,負載采用空心電感以避免大電流測量范圍的磁飽和問題。測試平臺的高精度和高可靠性是建模的關(guān)鍵。由于開關(guān)時間為ns級,為準(zhǔn)確測試開關(guān)波形,電壓電流測量設(shè)備和波形顯示設(shè)備必須有足夠的帶寬。示波器選用LeCroy 9350A雙通道數(shù)字存儲示波器,其帶寬為500MHz,采樣率為500MS/s,示波器對電壓信號U CE采用短脈沖干擾屏蔽觸發(fā)(glitch trigger類型,單次觸發(fā)(single trigger方式,截獲時間段T(t s到t e,包含IGBT第一次關(guān)斷和第二次開52 中國電機工程學(xué)報第30卷通過程的集電極

14、電壓、電流波形,如圖4(b所示;電壓測量選擇LeCroy的PPE 2kV高壓無源探頭,帶寬為400MHz;電流測量采用同軸屏蔽電阻,其外殼能有效屏蔽外部噪聲源,可以測量小電流值和快電流瞬態(tài),型號SDN-414-01,阻值為0.01,帶寬為400MHz,上升時間為1ns,最大能量損耗為6J;開關(guān)器件的結(jié)溫?zé)o法直接測量,當(dāng)散熱器加熱板加熱到測量溫度后,穩(wěn)定一段時間再觸發(fā)雙脈沖進行測量,此時器件、加熱板達到熱平衡,內(nèi)外溫度梯度已經(jīng)消失,經(jīng)過估算,一次雙脈沖開關(guān)動作的能耗不足以明顯改變結(jié)溫,認(rèn)為此時器件結(jié)溫與殼溫相等。采用溫度傳感器鉑電阻PT100,測量與散熱器加熱板緊密貼合的被測器件殼溫。計算機人機

15、界面由LabVIEW編程實現(xiàn)。用戶通過該界面選擇工作電壓、電流、溫度、門極電阻和門極電壓參數(shù),輸入IGBT、二極管名稱,并將這些參數(shù)保存在數(shù)據(jù)文件名中用于后續(xù)建模的數(shù)據(jù)處理。該界面具有重復(fù)測試功能,并給出當(dāng)前測試點的測試條件和DSP返回的實時溫度,方便用戶了解測試進程。電壓、電流探頭電纜長度的差異會造成2個測量通道的延遲時間不同,必須進行延時校正。開關(guān)損耗建模采用基于數(shù)學(xué)計算的建模方法,通過實驗得到影響開關(guān)損耗的各個因素與開關(guān)損耗之間的關(guān)系,它與器件的具體型號沒有關(guān)系,因而更具有通用性。由于測試點數(shù)與模型的準(zhǔn)確度成一定的正比例關(guān)系,需要在準(zhǔn)確性和測試次數(shù)上有一個權(quán)衡。建模系統(tǒng)由Matlab編程

16、實現(xiàn),如圖5所示。建模軟件由GUI實現(xiàn)友好的人機界面,以簡化模型建立及誤差分析復(fù)雜的內(nèi)部過程。軟件實現(xiàn)的功能包含3種平均模型的建模(冪函數(shù)模型,冪函數(shù)與多項式結(jié)合的模型,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、基于已建 圖5建模軟件的基本構(gòu)架示意圖Fig. 5 Basic framework of modeling software 模型的損耗預(yù)測以及損耗預(yù)測的誤差分析等內(nèi)容。冪函數(shù)方法將損耗表示成電流的冪函數(shù)形式,對導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗采用不同的計算式。這種方法綜合考慮了通態(tài)電流、母線電壓和結(jié)溫對損耗的影響。冪函數(shù)方法系數(shù)少,擬合速度快,但擬合效果較差。多項式法雖然理論上可以無限增加系數(shù)提高模型的準(zhǔn)確性,但系數(shù)增多會大

17、大降低擬合速度?？紤]到這兩種方法的優(yōu)缺點,決定采用冪函數(shù)和多項式結(jié)合的方法作為改進的損耗建模方法。冪函數(shù)與多項式結(jié)合的建模方法是在對實驗數(shù)據(jù)進行一定歸納分析的基礎(chǔ)上總結(jié)規(guī)律確定其表達式的。在確定多項式的階數(shù)時,依據(jù)損耗隨參數(shù)的變化趨勢,經(jīng)過大量嘗試,綜合考慮對模型精度和運算速度的要求。式(1給出了經(jīng)過大量實驗、計算后擬合得到的函數(shù)系數(shù)(ar以及函數(shù)表達式(X on為系數(shù)矩陣,表2給出該方法的擬合誤差。32CCon C C j j j3243G G G GE GE(559.28(c d eUE a bI I fT gT hT ijR kR lR m nU oU=+2GE GEpU qU r+ (

18、1 ona b cd e fg h ij k lm n op q r=X249647526321.735310 1.167810 1.05210.94626 1.2262 2.043103.162410 3.372510 2.4889103.727910 1.262110 2.478710××××××××××××××342(232GEoff C C j j j(559.28c d eUE a bI I fT gT hT i=+l m432G G GE GE

19、 GE GE(j kR R nU oU pU qU r+(324974off2445322.051810 1.436110 1.00681.3815102.584310 1.01382.226410 1.178410 5.1928105.827410 1.964710 3.8899104×××××=× ×××××××X2(4利用樣本方差評價模型的準(zhǔn)確性。rrE=式中E m i、E c i分別表示第i個測試點的測量計算值第12期陳娜等:IGBT開關(guān)特性離線測試系統(tǒng) 5

20、3和模型計算值。E rr越小,模型越準(zhǔn)確。表2冪函數(shù)與多項式結(jié)合方法的擬合誤差Tab. 2 Sample variance for powerfunction and polynomial名稱開通損耗E on /% 關(guān)斷損耗E off /% 樣本方差(2160點 11.18 8.93 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬人腦生物過程的人工智能技術(shù),由大量神經(jīng)元廣泛互連形成復(fù)雜的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò),通過訓(xùn)練已有的數(shù)據(jù)尋找、總結(jié)內(nèi)在規(guī)律,對數(shù)據(jù)規(guī)律進行提取和逼近,具有良好的函數(shù)逼近功能,能比較準(zhǔn)確的預(yù)測給定數(shù)據(jù)范圍內(nèi)其他未知條件下的數(shù)據(jù)值。本文主要采用基于誤差反向傳播算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法(back propagati

21、on, BP進行函數(shù)逼近,即用輸入向量和相應(yīng)的輸出向量訓(xùn)練一個網(wǎng)絡(luò)逼近一個函數(shù)。需要確定輸入矢量、輸出矢量、隱含層的數(shù)目、隱含層神經(jīng)元的個數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練優(yōu)化參數(shù)。確定損耗模型使用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(包括輸入層,輸出層,一個隱含層。輸入層由5個輸入矢量組成(電流,電壓,結(jié)溫,門極電壓,門極電阻,輸出層為一個目標(biāo)矢量(開通損耗,關(guān)斷損耗或二極管反向恢復(fù)損耗。表3為最后選取的具體訓(xùn)練參數(shù)。其中訓(xùn)練的最大次數(shù)越多,誤差越小,仿真時間越長;訓(xùn)練誤差的期望值越小,函數(shù)逼近越準(zhǔn)確,仿真時間也會越長;學(xué)習(xí)速率越慢,學(xué)習(xí)效果越好,仿真時間也越長。表3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真優(yōu)化參數(shù)及樣本方差Tab. 3 Parameters a

22、nd sample variance forneutral network名稱開通損耗E on關(guān)斷損耗E off 隱含層節(jié)點數(shù) 20 20 訓(xùn)練最大次數(shù)1200 1200訓(xùn)練誤差的期望值 2×105 3.8×105訓(xùn)練曲線更新的頻率 50 50 學(xué)習(xí)速率 0.01 0.01 樣本方差(2160點 3.6% 5.7%2 測試結(jié)果和分析下文給出器件IRGP20B120UD-E(1200V/20A,記為器件和SGL160N60UFD(600V/160A,記為器件的測試波形及數(shù)據(jù)。測試條件如表4所示。選擇測試條件后,系統(tǒng)自動測試所有點并儲存數(shù)據(jù)。波形時間和波形幅值以數(shù)組的形式從示波

23、器傳至計算機。每個測試點有4個存儲波形,包括電流波形I C、電壓波形U CE、功率波形P(電流及電壓波形的乘積和能量波形E(功率波形的積分。圖6為一個IRGP20B120UD-E測試點的4個存表4測試條件及各參數(shù)基準(zhǔn)值Tab. 4 Test conditions and base values名稱測試條件基準(zhǔn)值200, 400, 600, 800 600 電壓U DC /V200, 300, 400, 500, 600 3005, 10, 20, 30, 40 20 電流I C /A30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110 40門極電壓U GE /V+15, +

24、17, +19 (U g=0 +15/0門極電阻R G / 5.1, 10, 20, 30, 39, 51 5結(jié)溫T j /25, 50, 75, 100, 125, 150 100儲波形示例,有了各測試點的IGBT和二極管電流I C、電壓U CE波形,對開通和關(guān)斷區(qū)間采取合理定義,便可計算IGBT的功率P、能量E、開通損耗E on、關(guān)斷損耗E off及二極管的反向恢復(fù)損耗E rec,如圖7所示。 t/s841612 202E/mJ120P/kW10100500UCE/V30040IC/A20圖6測試電流和電壓波形Fig. 6 Current and voltage waveforms4.2t

25、/s(a 關(guān)斷區(qū)間波形4.64.45.04.85.2220UCE/VIC/A關(guān)斷5%I C5%U CEE1E2E off=E2E14.3 4.74.55.14.95.3E/mJP/kW4.2t/s(b 開通區(qū)間波形4.64.45.04.85.24.3 4.74.55.14.95.3320UCE/VIC/A關(guān)斷10%I C5%U CEE1E2E off=E2E1E/mJP/kW圖7關(guān)斷及開通區(qū)間波形Fig. 7 Turn-off and turn-on waveforms54 中 國 電 機 工 程 學(xué) 報 第30卷對不同測試條件下的電流電壓波形進行比較,可以看出各參數(shù)對開關(guān)過程的影響?？疾炷硞€

26、參數(shù)變化對開關(guān)損耗的影響時,其他參數(shù)取基準(zhǔn)值。圖8為不同母線電壓下IRGP20B120UD-E 的開關(guān)波形,其中I C = 20 A ,R G = 30 ,U GE = 15 V 。圖9為不同測試電流下SGL160N60UFD 的開關(guān)波形,其中U CE = 300 V ,R G = 30 ,U GE = 15 V 。圖10為不同14.0t /s(a 開通過程電壓和電流波形16.50.8I C /A16.515.0 0504014.5 15.5 30201016.0 1.01 000 V800 V 600 V 400 V1 000 V800 V600 V 400 V4.0t /s(b 關(guān)斷過程電壓和電流波形0.8I C /A4.0t /s5.0204.5101.01 000 V 800 V 600 V 400 V1 000 V800 V600 V400 V圖8 不