高壓大容量IGBT測(cè)試技術(shù)探究

石蕊　袁詠歆

摘 要：近年來(lái)，IGBT被廣泛應(yīng)用于電力電子行業(yè)中，且表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。因此，極有必要建立與高壓大容量IGBT相匹配的測(cè)試平臺(tái)及與之配套的測(cè)試方法。IGBT相關(guān)參數(shù)包括動(dòng)態(tài)參數(shù)、靜態(tài)參數(shù)兩種類型。為此，文章主要從動(dòng)靜態(tài)參數(shù)兩個(gè)方面討論IGBT的測(cè)試方法。

關(guān)鍵詞：IGBT；動(dòng)態(tài)參數(shù)；靜態(tài)參數(shù)；測(cè)試方法

引言

近年來(lái)，大功率電力電子變流技術(shù)逐漸受到社會(huì)各界的關(guān)注，與此同時(shí)，IGBT器件等串聯(lián)技術(shù)逐漸成為當(dāng)今社會(huì)研究的重點(diǎn)，以適應(yīng)高壓大容量的應(yīng)用要求。從測(cè)試條件來(lái)講，IGBT參數(shù)包括動(dòng)態(tài)參數(shù)、靜態(tài)參數(shù)兩種類型，其中IGBT動(dòng)態(tài)參數(shù)是IGBT開關(guān)動(dòng)作中的相關(guān)參數(shù)，如上升/下降時(shí)間、導(dǎo)通/關(guān)斷延遲時(shí)間等；IGBT靜態(tài)參數(shù)是IGBT固有的參數(shù)，如開啟電壓、門極擊穿電壓等。IGBT靜態(tài)參數(shù)多且復(fù)雜，若參數(shù)不同，則測(cè)試方法、測(cè)試設(shè)備也有所差異。當(dāng)前，IGBT靜態(tài)參數(shù)測(cè)試仍以單獨(dú)參數(shù)的測(cè)試為主。IGBT動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試平臺(tái)多以雙脈沖測(cè)試為技術(shù)支撐，即以變換測(cè)試電路的工作狀態(tài)來(lái)獲得相應(yīng)的動(dòng)態(tài)特征。結(jié)合上述內(nèi)容，文章主要從動(dòng)靜態(tài)參數(shù)兩個(gè)方面淺析高壓大容量IGBT測(cè)試方法。

1 IGBT靜態(tài)參數(shù)測(cè)試方法研究

IGBT靜態(tài)參數(shù)多且復(fù)雜，同時(shí)不同參數(shù)的測(cè)試方法也不同。為此，文章僅就下列較為重要的參數(shù)的測(cè)試方法進(jìn)行研究。

1.1 門極參數(shù)VGES及IGES測(cè)試

VGES是門極擊穿電壓，VGES、IGES的測(cè)試流程為：CE短接→VGE每隔0.1V由0V開始上升→采集電流信號(hào)→繪制門極擊穿曲線→求得擊穿時(shí)的臨界門極電壓→確定VGES及IGES。然而，門極漏電流IGES為pA級(jí)，因此難以保障采集結(jié)果的準(zhǔn)確度。鑒于此，本測(cè)試僅判斷是否擊穿器件門極，具體選用具備GPIB通信功能的2611數(shù)字源表。2611數(shù)字源表的關(guān)鍵參數(shù)為：電壓源的最大電壓、精度分別為200V、0.02%；電流源的最大電流、精度分別為10A、0.03%；電壓、電流的量程與精度分別為200V/0.05%、10A/0.02%。據(jù)此可知，2611數(shù)字源表能為VGES與IGES測(cè)試提供精度較高的電壓源、電流源及測(cè)量結(jié)果。

1.2 門極參數(shù)VGE（th）測(cè)試

VG（th）是開啟電壓，具體測(cè)試步驟為：IGBT GC端短接→將一個(gè)可調(diào)型電壓源接入CE端→電壓源每隔0.01V由0V開始上升，直至電流表所測(cè)到的電流Ic值與限定值吻合→確定門極電壓與開啟閥值相符，注意此電流閥值由器件固有的技術(shù)規(guī)格而定（100～200mA）。VGE（th）測(cè)試所用的測(cè)試設(shè)備與VGES相同。

1.3 功率端參數(shù)VCES及ICES測(cè)試

功率端參數(shù)VCES是集電極發(fā)射極間耐壓；ICES是集電極發(fā)射極間漏電流，VCES、ICES的測(cè)試流程為：IGBT CE端短接→電壓源以階梯形式升至擊穿的臨界狀態(tài)→以限流電阻R來(lái)限制回路的最大可通行電流，以防IGBT擊穿損壞器件。限流電阻R滿足下列函數(shù)式：R=VCES /[（1-10）Ic /106]，式中R的取值由被測(cè)器件的額定電流而定。VCES、ICES測(cè)試所用的測(cè)試設(shè)備為高壓源SR15-X-1200、數(shù)字萬(wàn)用表DMM4050。

1.4 Cies、Coes及Cres測(cè)試

輸入電容測(cè)試是測(cè)量IGBT接入偏置電壓時(shí)的寄生型輸入電容Cies。輸入電容Cies滿足下列函數(shù)式：Cies=Cge+Cgc。據(jù)此可知，在測(cè)量時(shí)，需將IGBT集-射極之間寄生電容Cce的作用排除，即將一個(gè)電容（1uF）并聯(lián)在集-射極之間來(lái)屏蔽Cce。Cce的容值相當(dāng)?。?10nF），并聯(lián)后的容值為1nF左右，此時(shí)再與IGBT的內(nèi)部電容Cge串聯(lián)起來(lái)，以屏蔽1nF電容。在柵射極之間加入10M電阻，以發(fā)揮虛短路的作用，從而維持IGBT的穩(wěn)定狀態(tài)。在電源與IGBT發(fā)射極、集電極之間加入1M電阻，以免電源對(duì)電路測(cè)量產(chǎn)生不利影響。在LCR柵極與電橋之間加入1uF電容，以免在儀器設(shè)備上直接接入直流電壓，從而確保測(cè)量的高精準(zhǔn)度及設(shè)備的安全性。輸出電容Coes、轉(zhuǎn)移電容Cres的測(cè)試原理與輸入電容Cies相同，文章不做過多闡釋。

2 IGBT動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量方法研究

與靜態(tài)參數(shù)測(cè)量相比，IGBT動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量的方法較為簡(jiǎn)單，多采用雙脈沖測(cè)試，注意此測(cè)試方法對(duì)測(cè)試裝置及后期數(shù)據(jù)的處理要求相當(dāng)高。此外，測(cè)試電路對(duì)寄生電感的要求非常小，但對(duì)電壓與電流的采樣及相對(duì)延時(shí)的要求卻相當(dāng)高，以確保測(cè)試參數(shù)的高準(zhǔn)確度。

2.1 雙脈沖測(cè)試

雙脈沖測(cè)試所用的電路為感性負(fù)載的測(cè)試電路。雙脈沖測(cè)試具有驅(qū)動(dòng)信號(hào)包含兩個(gè)脈沖的特點(diǎn)，兩個(gè)脈沖的作用如下：第一個(gè)脈沖是確保流經(jīng)器件的電流與測(cè)試所需的電流值相符；第二個(gè)脈沖是檢測(cè)被測(cè)器件的開通波形，注意兩個(gè)脈沖之間間隔的時(shí)間不宜過長(zhǎng)或過短，具體在10～30us之間，詳見圖1。

如圖1所示，雙脈沖測(cè)試正式開始之前，母線電容需先預(yù)充電，以使母線電壓與測(cè)試所需電壓相吻合；t0時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖出現(xiàn)→IGBT導(dǎo)通→母線電容對(duì)電感充電→電感電流上升；t1時(shí)，流經(jīng)器件的電流升至測(cè)試所需的電流值→第一個(gè)脈沖結(jié)束→IGBT關(guān)斷→電感電流經(jīng)二極管續(xù)流；t2時(shí)，第二個(gè)脈沖出現(xiàn)→IGBT再次導(dǎo)通→器件的開通測(cè)試結(jié)束；t3時(shí)，第二個(gè)脈沖結(jié)束→IGBT關(guān)斷→電感電流經(jīng)二極管續(xù)流衰減至0→測(cè)試完畢。

2.2 IGBT動(dòng)態(tài)測(cè)試平臺(tái)的相關(guān)技術(shù)

本IGBT動(dòng)態(tài)測(cè)試平臺(tái)包含當(dāng)前市面上全部中高壓模塊或器件的動(dòng)態(tài)測(cè)試、串聯(lián)型高壓模塊的動(dòng)態(tài)測(cè)試要求。據(jù)此可知，母線的最高電壓需到6.5kV，而電流測(cè)試能力預(yù)計(jì)≥800A。因此，在動(dòng)態(tài)測(cè)試中，IGBT動(dòng)態(tài)測(cè)試的瞬時(shí)能量源自母排電容，從而保障測(cè)試的安全性。在不同電壓等級(jí)的測(cè)試下，可對(duì)電容的選擇進(jìn)行優(yōu)化，即按當(dāng)前中高壓IGBT器件的容量分類對(duì)母線電容的選擇進(jìn)行優(yōu)化。在IGBT動(dòng)態(tài)測(cè)試中，首先采用預(yù)充電法完成母線電容的充電，以方便后續(xù)的雙脈沖測(cè)試，注意在充電時(shí)，應(yīng)考慮到第一個(gè)脈沖在電容上引起的電壓下跌問題。LGBT動(dòng)態(tài)測(cè)試平臺(tái)要求在測(cè)試不同電壓及電流下器件開關(guān)的動(dòng)態(tài)特征時(shí)，應(yīng)以器件的正常工作為前提，因此就電壓功率等級(jí)不同的IGBT模塊來(lái)講，電壓與電流的測(cè)量范圍應(yīng)分別設(shè)定為：20%x額定電流～100%x額定電流、20%x額定電壓～65%x額定電壓。母線電容與負(fù)載電感的量值會(huì)對(duì)母線電容的電壓下跌量及電感電流的上升率產(chǎn)生影響，因此在雙脈沖測(cè)試時(shí)，母線電容應(yīng)先完成電感充電，即電容分別與電感、母線電壓的下跌量呈負(fù)相關(guān)。但須注意，當(dāng)電感過小時(shí)，高壓小電流所需的測(cè)試電流充電時(shí)間也相當(dāng)短，因此不易控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，IGBT動(dòng)靜態(tài)參數(shù)的公共測(cè)試平臺(tái)仍處在國(guó)外廠家壟斷的狀態(tài)，而國(guó)內(nèi)對(duì)IGBT測(cè)試的相關(guān)研究尚處在起步階段，因此需建立一套高壓大容量功率的半導(dǎo)體器件公共測(cè)試平臺(tái)，以促進(jìn)國(guó)內(nèi)大功率電力電子器件的健康發(fā)展。

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