功率器件IGBT 測(cè)試方法的探究

王 瑞

（寶雞文理學(xué)院物理系,721016）

0 引言

IGBT 是絕緣柵雙極型晶體管的英文縮寫(xiě)，是電子電力技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的功率半導(dǎo)體器件，IGBT 由雙極性三極管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管組成，具有開(kāi)關(guān)速度快，導(dǎo)通壓降低的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)效率小，控制方便、導(dǎo)通能耗小、開(kāi)關(guān)頻率高，是在600V 及其以上的變流系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，例如交流電機(jī)、變頻器、照明電路、開(kāi)關(guān)電源、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要進(jìn)行較大功率變換的場(chǎng)合，比如基于電壓源換流器的直流輸電系統(tǒng)中，電流側(cè)電壓十分高，而IGBT 器件自身存在一定的容量限制，這時(shí)就需要通過(guò)直接串聯(lián)、模塊化多電平串聯(lián)技術(shù)、級(jí)聯(lián)技術(shù) 、多電平、移相變壓器等來(lái)解決。以常見(jiàn)串聯(lián)技術(shù)為例，商用功率IGBT 器件的最高電壓等級(jí)為6.5kv，要分擔(dān)越高的電壓需要IGBT 的數(shù)量也越多。IGBT 的大功率變流器的應(yīng)用過(guò)程中，會(huì)受到自身電氣應(yīng)力、開(kāi)關(guān)損耗等動(dòng)態(tài)性的影響，導(dǎo)致器件的使用效果與設(shè)計(jì)預(yù)期效果相悖。因?yàn)镮GBT 器件在不同的應(yīng)用環(huán)境中，受到使用環(huán)境、驅(qū)動(dòng)條件、環(huán)路寄生參數(shù)等的影響不同，測(cè)試具有不可重復(fù)性。本文主要探討對(duì)不同等級(jí)的IGBT 器件進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，建立大容量高精度的測(cè)試系統(tǒng)，獲得不同工作環(huán)境下的器件開(kāi)關(guān)特性的過(guò)程。

1 大功率IGBT 器件測(cè)試的意義及現(xiàn)狀

IGBT 器件在大功率的應(yīng)用場(chǎng)合中，受到較大的電壓電流過(guò)沖影響會(huì)造成變流器的穩(wěn)定性與可靠性降低，還可能導(dǎo)致電磁污染的產(chǎn)生，針對(duì)不同的工作環(huán)境選擇合適的IGBT 器件是縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高產(chǎn)品可靠性的必然要求。半導(dǎo)體的生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)與測(cè)試期間性能時(shí)，由于環(huán)境的差異，得到的相關(guān)數(shù)據(jù)具有不可重復(fù)性，因而在整個(gè)變流器的應(yīng)用過(guò)程中，如果無(wú)法得到可靠的準(zhǔn)確的工作狀態(tài)與性能就無(wú)法保證變流器的正常運(yùn)行。

IGBT 測(cè)試技術(shù)旨在通過(guò)對(duì)工作溫度、門(mén)極驅(qū)動(dòng)、工作電流和電壓、電路的寄生參數(shù)等的測(cè)試得到其對(duì)IGBT 器件工作性能的影響程度，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立合理的行為模型，對(duì)電氣應(yīng)力和開(kāi)關(guān)損耗等進(jìn)行預(yù)測(cè)?？傊?，功率器件IGBT 的性能測(cè)試研究可以為變流器效率的提高、裝置壽命的預(yù)測(cè)和器件在特定工作環(huán)境下的適應(yīng)性做出有效的指導(dǎo)。

2 功率器件IGBT 測(cè)試方法與測(cè)試原理

在進(jìn)行大功率器件IGBT 測(cè)試時(shí)比較常見(jiàn)的測(cè)試方法有基于雙脈沖電路的測(cè)試方法、開(kāi)關(guān)瞬態(tài)測(cè)試在線(xiàn)測(cè)試方法等。本文主要就基于雙脈沖電路的測(cè)試方法及其原理、測(cè)試情況等進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明。

基于雙脈沖電路的測(cè)試方法能夠從二極管反向恢復(fù)電流的震蕩情況來(lái)判斷IGBT 器件的動(dòng)態(tài)性能，可以通過(guò)開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電流微分和雜散電感引起的電容微分函數(shù)來(lái)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路在不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的電阻值進(jìn)行預(yù)測(cè)，還可以通過(guò)IGBT 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的狀態(tài)獲得相關(guān)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，了解開(kāi)關(guān)的損耗值。除此之外，基于雙脈沖電路的測(cè)試方法可以對(duì)IGBT 器件的過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、電壓箝位功能等進(jìn)行測(cè)試，如果加入加熱器，也可以對(duì)溫度對(duì)IGBT 器件性能的影響進(jìn)行測(cè)試。

基于雙脈沖電路的測(cè)試方法的原理是：在一個(gè)測(cè)試電路中連接兩個(gè)IGBT 器件，并將下方的IGBT 器件作為測(cè)試的對(duì)象，用不同的探頭分別對(duì)不同時(shí)刻被測(cè)試的IGBT 器件的電流、電壓進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試電路如圖1。

圖1 雙脈沖的測(cè)試電路

如圖1 所示，處于上方的IGBT 器件因?yàn)檫B接了負(fù)載電感L，在使用探頭對(duì)其驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其兩端的信號(hào)始終為0，也就是說(shuō)，處于上方的IGBT 器件始終處于關(guān)斷的狀態(tài)。

不存在門(mén)極懸空的狀態(tài)下，讓下方的被測(cè)IGBT 器件處在關(guān)斷的狀態(tài)下，閉合電源電路，使高壓電源為母線(xiàn)上的電容充電，充電完成之后可以打開(kāi)電源電路的開(kāi)關(guān)，將控制電容放電回路的開(kāi)關(guān)閉合，讓電阻R 與電容形成放電回路。

整個(gè)充電放電的過(guò)程中，可以用公式來(lái)表示。充電時(shí)，母線(xiàn)電壓加載到電感L 上，可以表示為di/dt=U/L，此時(shí)充電電流的上升速度決定于電壓U 和電感L，關(guān)斷時(shí)的電流大小取決于充電的時(shí)間。因此，在關(guān)閉K1 開(kāi)關(guān)進(jìn)行充電的過(guò)程中，電流的上升與時(shí)間的關(guān)系呈正比例函數(shù)，最終的電流上升值和上升的速率可以自行設(shè)定，此時(shí)可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路的短路保護(hù)和過(guò)流保護(hù)等功能的測(cè)試。

當(dāng)K1 開(kāi)關(guān)打開(kāi)，處于下方的被測(cè)IGBT 器件被關(guān)斷，探頭在檢測(cè)負(fù)載電流的時(shí)候是將其置于被測(cè)IGBT 器件下方，這個(gè)時(shí)候的負(fù)載電感的電流衰減十分緩慢，因此在示波器基本無(wú)法觀察到續(xù)流電流。

當(dāng)K1 開(kāi)關(guān)打開(kāi)而K2 開(kāi)關(guān)關(guān)閉的時(shí)候，整個(gè)電路呈現(xiàn)放電狀態(tài)，這時(shí)被測(cè)的IGBT 器件會(huì)再一次導(dǎo)通，當(dāng)IGBT 器件中出現(xiàn)反向電流導(dǎo)通的時(shí)候，示波器上能夠觀察差比較明顯的尖峰。與此同時(shí)，雜散電感引起的電壓和整個(gè)電源電路的電壓是相反的，所以在波形圖上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)比較小的缺口。當(dāng)K2 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的時(shí)候，IGBT 器件再次處于關(guān)斷的狀態(tài)，這時(shí)由于產(chǎn)生的電流比較大，母線(xiàn)雜散電感會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓尖峰。

3 功率IGBT 器件測(cè)試時(shí)的觀察內(nèi)容

在整個(gè)測(cè)試的過(guò)程中，需要進(jìn)行測(cè)量的物理變量包括：二極管反向恢復(fù)電流的峰值及變化率di／dt、拖尾時(shí)間、被測(cè)IGBT兩端的電壓變化等。同時(shí)要注意整個(gè)變化過(guò)程中示波器的波形振蕩曲線(xiàn)。在觀察相關(guān)圖像和物理量變化的時(shí)候，如果電阻對(duì)與IGBT 器件的開(kāi)通過(guò)程電流變化率影響較大，那么可以決定開(kāi)通損耗，這時(shí)可以對(duì)電阻值的大小是否合理進(jìn)行有效的判斷。

對(duì)于參與測(cè)試的反向二極管而言，功率IGBT 器件與相應(yīng)的反向二極管被關(guān)斷時(shí)都可能出現(xiàn)一定的風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)源于放電電路的反向恢復(fù)電流與雜散電感的作用。

IGBT 器件一般情況下是具有過(guò)流保護(hù)與短路保護(hù)功能的，但是反向二極管不存在這樣的功能，所以，在關(guān)斷電路反向恢復(fù)過(guò)程中，瞬間功率值超出可以承受的范圍時(shí)，就容易造成反向二極管的損壞。通過(guò)觀察反向二極管的工作曲線(xiàn)可以對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行判斷。

通過(guò)的電流變化曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，在反向電流不斷增大的時(shí)候，雜散電感產(chǎn)生的電壓與電源電路的母線(xiàn)電壓是正好相反的，但在電流降低的時(shí)候，二者的方向則是一致的。當(dāng)方向一致的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓的尖峰時(shí)刻，此時(shí)二極管的損毀危險(xiǎn)增大，也就是說(shuō)雜散電感越大，二極管發(fā)生損毀的危險(xiǎn)也越大?？梢酝ㄟ^(guò)波形變化看出二極管是否處在安全區(qū)域。通常情況下，二極管在特定的條件下會(huì)有一個(gè)固定的安全裕量，由于雜散電感和反向恢復(fù)電流的后沿相互作用產(chǎn)生一個(gè)超出正常值的尖峰電流，因此可以通過(guò)對(duì)反向恢復(fù)電流的后半段斜率的優(yōu)化及雜散電感的優(yōu)化達(dá)到提高二極管損毀安全裕量的目的。

圖2 二極管的不同狀態(tài)顯示

圖2 所示的示波器波形曲線(xiàn)是二極管在安全狀態(tài)下和危險(xiǎn)狀態(tài)的不同顯示。

基于雙脈沖的測(cè)試電路還可以對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的有源箝位功能、主電路雜散電感等進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的有源箝位功能得測(cè)試就是通過(guò)觀察尖峰的產(chǎn)生來(lái)對(duì)IGBT 器件關(guān)斷瞬間的安全性進(jìn)行評(píng)估。三種情況下，尖峰電流會(huì)升高，分別是功率增加和短路、過(guò)載，而有源箝位功能的目的就是抑制尖峰電壓的產(chǎn)生。在進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候可以通過(guò)繞指導(dǎo)線(xiàn)與平面母線(xiàn)的相互替換來(lái)達(dá)到增加雜散電感，測(cè)試有源箝位功能（通過(guò)缺口電壓的理論值與實(shí)測(cè)值的比較來(lái)判斷驅(qū)動(dòng)電路的有源箝位功能）。

對(duì)主電路雜散電感的測(cè)試第二個(gè)脈沖開(kāi)始時(shí)的缺口電壓來(lái)判斷雜散電感上的感應(yīng)電壓，通過(guò)示波器上讀出的電壓值與電流的變化量計(jì)算雜散電感值（計(jì)算公式U/L=di/dt）

總之，通過(guò)選擇合適的測(cè)試方法可以獲得電路參數(shù)對(duì)功率器件的特性影響是預(yù)測(cè)電氣應(yīng)力和開(kāi)關(guān)損耗，對(duì)于提高實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境適應(yīng)力具有重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

功率器件IGBT 因?qū)ü男?、開(kāi)關(guān)頻率高等的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于高壓功率換流器中， IGBT 器件在生產(chǎn)廠家的測(cè)試具有不可重復(fù)性，但在特定的工作環(huán)境中會(huì)受到環(huán)境溫度、驅(qū)動(dòng)條件、環(huán)路寄生參數(shù)等的影響。論文通過(guò)基于雙脈沖電路的IGBT 器件測(cè)試方法，獲得電路參數(shù)對(duì)功率器件特性的具體影響情況，并對(duì)其進(jìn)行了詳盡的探討分析；還就電路參數(shù)對(duì)電氣應(yīng)力、開(kāi)關(guān)損耗情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，這也說(shuō)明選擇合適的測(cè)試方法對(duì)于提高功率器件在實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境適應(yīng)力與應(yīng)用效果具有重要意義。

[1] 陳娜.中高壓功率IGBT 模塊開(kāi)關(guān)特性測(cè)試及建模[D].浙江大學(xué),2012(6).

[2] 龐輝，溫家良，賀之淵，湯廣福.大功率 IGBT 串聯(lián)電壓不平衡機(jī)制研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011(21):1-9.

[3] 張黎.高壓大功率 IGBT 驅(qū)動(dòng)模塊技術(shù)特點(diǎn)分析[C].中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第十一屆學(xué)術(shù)年會(huì),2008(11).

[4] 杜明星.功率器件狀態(tài)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵問(wèn)題研究[D].天津大學(xué),2012(5).

[5] 楊兵建.基于IGBT 的大功率三電平逆電器控制與測(cè)試方法等相關(guān)問(wèn)題研究[J].浙江大學(xué),2011(3).

[6] 李鵬.高壓大功率IGBT 測(cè)試平臺(tái)的研制及相關(guān)問(wèn)題的研究[D].天津大學(xué),2012(5).

[7] 蔣玉想，李征.基于雙脈沖的IGBT 及驅(qū)動(dòng)電路測(cè)試方法[J].電子技術(shù),2012(7)：78-80.

[8] 聞?dòng)老?，范偉宏，顧悅吉，劉琛，劉慧?影晌IGBT 器件短路能力的一種柵極振蕩現(xiàn)象研究[J].中國(guó)集成電路,2013(7):41-46.