雙脈沖實驗報告

1、雙脈沖實驗1. 雙脈沖實驗概述通過雙脈沖實驗可以觀察IGBT在開通、關(guān)斷過程中是否有不合適的震蕩，評估二極管的反向恢復(fù)行為和安全裕量以及確定有源鉗位電路的工作點，保證其在極限工況下可靠工作，在額定工況下可持續(xù)工作。1.1 雙脈沖實驗的基本原理實驗電路如下 REF _Ref417654229 h * MERGEFORMAT 圖1a所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 1 雙脈沖實驗電路(a)及各關(guān)鍵點波形(b) REF _Ref417654229 h * MERGEFORMAT 圖1a中Q1、Q2為IGBT模塊，型號是FS800R07A2E3，開關(guān)管Q2柵極施加負(fù)壓保持關(guān)斷狀態(tài)，Q1柵極施加由

2、DSP提供的雙脈沖波形，調(diào)節(jié)脈沖寬度T1、T2和T3可以調(diào)節(jié)電流IC1、IL0的大小。D1和D2為開關(guān)管內(nèi)部并聯(lián)二極管。L0為測試用空心電感，大小為25uH。C0為母線端薄膜電容，本次實驗為了能確保大電流輸出，電容量取2000uF。Us為直流電源，用于調(diào)節(jié)母線電壓。 REF _Ref417654229 h * MERGEFORMAT 圖1a中所標(biāo)各關(guān)鍵點電壓和電流波形如 REF _Ref417654229 h * MERGEFORMAT 圖1b所示。其中，Vg_Q1為開關(guān)管Q1的雙脈沖驅(qū)動信號，IC1為Q1集電極電流，VCE1為Q1集-射電壓，ID2為并聯(lián)二極管D2的電流，VD2為二極管正向電

3、壓，IL0為電感L0電流。在實際電路中由于漏感及寄生電容的存在，開關(guān)切換時波形中會有電壓及電流尖峰，主要表現(xiàn)為：在t2及t4時刻，Q1關(guān)斷，電壓VCE1存在漏感電壓尖峰；在t3時刻，Q1逐漸導(dǎo)通，D1逐漸關(guān)斷，電流ID2存在反向恢復(fù)電流尖峰，電壓VD2存在漏感電壓尖峰。以上兩點需要通過雙脈沖實驗進行驗證，確保電壓、電流應(yīng)力不超過開關(guān)管安全工作區(qū)。1.2 柵極有源鉗位電路 REF _Ref417654229 h * MERGEFORMAT 圖1a中Q1關(guān)斷時，集-射極會承受直流母線電壓Us與漏感尖峰的疊加，負(fù)載電流越大，尖峰越高，為了保護開關(guān)管，驅(qū)動電路中加入下 REF _Ref41764953

4、9 h * MERGEFORMAT 圖2所示的有源鉗位電路。圖 SEQ 圖 * ARABIC 2 開關(guān)管有源鉗位電路 REF _Ref417649539 h * MERGEFORMAT 圖2中TVS管的型號為P6SMB510A，門限電壓Vtvs_th為485535V，當(dāng)VCE高于Vtvs_th時，TVS擊穿并流過電流Itvs_br，該電流一方面拉低VCE電壓，另一方面抬高開關(guān)管柵極電壓從而減緩Q1的關(guān)斷速度，降低VCE電壓。有源鉗位電路需要保證逆變器在過載甚至短路時能夠可靠抑制VCE電壓，同時又要保證該電路在逆變器額定工作區(qū)中能夠持續(xù)工作，這主要考慮到TVS擊穿時有與VCE成正比的電流Itvs

5、_br流過，長時間工作會導(dǎo)致TVS過熱，所以雙脈沖實驗另一個目的是驗證逆變器可持續(xù)工作區(qū)的選取是否合適。綜上所述，本次雙脈沖實驗的目的為：驗證極限工況下IGBT集-射電壓Vce_max是否在額定范圍之內(nèi)；IGBT并聯(lián)二極管關(guān)斷時的應(yīng)力是否在額定范圍之內(nèi)；逆變器可持續(xù)工作區(qū)的確定。2. 極限工況下IGBT集-射電壓Vce_max2.1 測試目的評價有源鉗位電路的工作效果，IGBT在極限電壓電流條件下關(guān)斷時，其集-射電壓電壓尖峰要低于最大可承受電壓，根據(jù)IGBT規(guī)格書，該電壓值為650V。測試電路如 REF _Ref417909270 h * MERGEFORMAT 圖3所示：圖 SEQ 圖 *

6、ARABIC 3 極限工況測試電路（Q1為被測對象， eq oac(,A)表示電流探頭位置）2.2 測試條件輸入電壓Vin = 425V集電極電流Ic = 1100A （兩倍額定電流）2.3 測試結(jié)果Vce_max = 579V測試波形如下 REF _Ref417460546 h * MERGEFORMAT 圖4所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 4 極限工況下IGBT集-射電壓（C1：Vce，C2：柵極驅(qū)動Vge，C4：集電極電流Ic）3. IGBT并聯(lián)二極管關(guān)斷3.1 測試目的當(dāng)橋臂中的一個IGBT逐漸開通時，流過該IGBT的電流逐漸增大，同時另一個IGBT的并聯(lián)二極管電流ID逐漸減小

7、，由于它的反向恢復(fù)特性，該二極管會承受較大的電壓及電流應(yīng)力，該項測試是為了評價該過程中二極管是否工作在安全區(qū)域內(nèi)。測試電路如 REF _Ref417973041 h * MERGEFORMAT 圖5所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 5 IGBT并聯(lián)二極管關(guān)斷測試（Q2為被測對象， eq oac(,A)表示電流探頭位置）3.2 測試條件輸入電壓Vin：450V測試電流ID：分別取50A、150A、250A、375A、550A、714A、825A、962A、1100A。3.3 測試結(jié)果 REF _Ref417976813 h * MERGEFORMAT 表1所示為450V輸入下的測試結(jié)果。其

8、中，通道C1為IGBT端電壓（黃），C2為IGBT柵極驅(qū)動（綠），C3為二極管電壓VD（紅），C4為二極管電流ID（藍(lán)）。表 SEQ 表 * ARABIC 1 二級管關(guān)斷時兩端電壓VD_off以及最大反向恢復(fù)電流IrrID = 50AID = 150AVD_off = 130V，Irr = 51.6AVD_off = 160V，Irr = 80A REF _Ref417976813 h * MERGEFORMAT 表1（續(xù)） 二級管關(guān)斷時兩端電壓VD_off以及最大反向恢復(fù)電流IrrID = 250AID = 375AVD_off = 160V，Irr = 87.4AVD_off = 160V

9、，Irr = 91.6AID = 550AID = 714AVD_off = 150V，Irr = 91.6AVD_off = 130V，Irr = 91.6AID = 825AID = 962AVD_off = 150V，Irr = 83.2AVD_off = 130V，Irr = 58.2A REF _Ref417976813 h * MERGEFORMAT 表1（續(xù)） 二級管關(guān)斷時兩端電壓VD_off以及最大反向恢復(fù)電流IrrID = 1100AVD_off = 110V，Irr = 66.6A REF _Ref417979840 h * MERGEFORMAT 圖6所示為IGBT安全工

10、作區(qū)，對比 REF _Ref417976813 h * MERGEFORMAT 表1的測試結(jié)果，二極管關(guān)斷過程中的電壓、電流沒有超出安全工作區(qū)。圖 SEQ 圖 * ARABIC 6 IGBT安全工作區(qū)及450V輸入下的二極管關(guān)斷應(yīng)力（位于陰影部分內(nèi)）4. 逆變器可持續(xù)工作區(qū)的確定4.1 測試目的IGBT持續(xù)工作時需要確保有源鉗位電路不工作或溫升不超過最高溫度，且該電路是否工作取決于輸入電壓Vin以及IGBT關(guān)斷時電流Ic，Vin越高，IGBT流過持續(xù)電流Ic的能力就越低，這是因為較高的Ic會產(chǎn)生較高的關(guān)斷電壓尖峰，該尖峰會觸發(fā)有源鉗位電路工作，如果尖峰較高，鉗位電路的工作電流就會很大，由此產(chǎn)生

11、較高的溫升。該項測試是為了找出逆變器可持續(xù)工作的母線電壓及負(fù)載電流。4.2 測試條件輸入電壓Vin：250V、275V、300V、325V、350V、375V、400V、425V和450V；測試電流Ic_off：在以上各個電壓下逐漸增加IGBT關(guān)斷電流直到關(guān)斷電壓尖峰達(dá)到有源鉗位電路中TVS門限電壓。根據(jù)TVS規(guī)格書，其門限電壓Vtvs_th為485535V，此時TVS工作電流為1mA。4.3 測試結(jié)果如下 REF _Ref417483175 h * MERGEFORMAT 表2所示。表 SEQ 表 * ARABIC 2 達(dá)到TVS門限電壓時的Vin和Ic_off以及Ic_off=550A時T

12、VS電壓VtvsVin/VIc_off/A Vtvs_th=485VIc_off/A Vtvs_th=535VVtvs/V Ic_off =550A25065888245827558879047930047568250032538365052035030450053737522541655840018233457042512326058345072200587結(jié)合 REF _Ref417483175 h * MERGEFORMAT 表2與 REF _Ref417979840 h * MERGEFORMAT 圖6可得下所示Vin與Ic_off關(guān)系曲線以及IGBT安全區(qū)，曲線1及曲線2下方代表逆變

13、器可持續(xù)工作區(qū)。曲線1曲線2圖 SEQ 圖 * ARABIC 7 Vin與Ic_off關(guān)系曲線（曲線1及曲線2）以及IGBT安全區(qū)4.4 TVS持續(xù)工作時損耗及溫升的評估在實際電路中，很難通過實測得到TVS工作時的電流，所以此處只能根據(jù)規(guī)格書對損耗及溫升進行估算。根據(jù)TVS規(guī)格書，TVS工作時，電流最大不超過0.86A，當(dāng)TVS兩端鉗位電壓為535V時，其損耗及溫升計算過程為：相電流頻率其中，Np為電機極對數(shù)，取4；Nrpm為轉(zhuǎn)速，取9000rpm。TVS工作時相電流持續(xù)時間為：上式中Ip_br為TVS開始工作時所對應(yīng)的相電流根據(jù) REF _Ref417483175 h * MERGEFORMAT 表2所示，最惡劣的工況為Vin=450V，Ic_off=200A，所以Ip_br可取200A；Ipk_p為相電流峰值，由工況決定，這里取550A。TVS損耗：式中Vtvs_br為TVS門限電壓，取535V；Ttvs_br為T