IGBT開(kāi)關(guān)特性測(cè)試系統(tǒng)及瞬態(tài)特性分析

史業(yè)照，郭 斌,2，鄭永軍

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江杭州 310018；2.杭州沃鐳智能科技股份有限公司，浙江杭州 310018)

0 引言

近年來(lái)，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，并在高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降方面，具有其他半導(dǎo)體無(wú)法比擬的巨大優(yōu)勢(shì)。另一方面，IGBT作為能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)暮诵钠骷?，為系統(tǒng)提供了穩(wěn)定性。但同時(shí)，IGBT模塊的可靠性也是電力電子應(yīng)用中的一個(gè)重要問(wèn)題。為了保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)IGBT模塊進(jìn)行測(cè)試，有助于全面了解IGBT在不同工作條件下的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性[1-3]。器件的開(kāi)關(guān)特性直接決定了開(kāi)關(guān)損耗，而開(kāi)關(guān)損耗制約能量轉(zhuǎn)換和傳輸器件的工作效率。IGBT模塊開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程中的di/dt和du/dt會(huì)引起過(guò)電流、過(guò)電壓以及電磁干擾等問(wèn)題。另外，雜散電感對(duì)電力電子器件的工作特性也有著重要的影響。隨著IGBT模塊開(kāi)關(guān)頻率和應(yīng)用功率水平的提高，IGBT模塊開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程中的回路雜散電感和模塊寄生電感會(huì)引起更高的電壓峰值，從而使IGBT模塊的電壓應(yīng)力和損耗增大，甚至出現(xiàn)過(guò)電壓擊穿和熱擊穿發(fā)生。因此，IGBT模塊開(kāi)關(guān)特性的測(cè)試是非常重要且有意義的[4-6]。

1 IGBT模塊開(kāi)關(guān)特性測(cè)試系統(tǒng)

1.1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)并搭建一套基于LabVIEW的IGBT模塊開(kāi)關(guān)特性測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)LabVIEW人機(jī)交互界面進(jìn)行測(cè)試參數(shù)設(shè)置，自動(dòng)測(cè)試并記錄IGBT模塊在不同參數(shù)測(cè)試條件下的開(kāi)通、關(guān)斷波形。該測(cè)試系統(tǒng)由上位機(jī)軟件LabVIEW、控制板卡NI PCIE-7841、驅(qū)動(dòng)器2SP0320T、高壓直流電源、示波器及測(cè)試電路6部分組成，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。其中LabVIEW負(fù)責(zé)測(cè)試工況的設(shè)置，測(cè)試指令的發(fā)送以及測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；高壓直流電源負(fù)責(zé)提供直流電壓，給測(cè)試電路電容組充電；NI PCIE-7841控制板卡負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置；2SP0320T驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)測(cè)試指令的實(shí)施；而示波器負(fù)責(zé)波形的采集。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)框圖

1.2 測(cè)試系統(tǒng)工作原理

PCIE-7841控制板卡具有可編程FPGA功能，可以實(shí)現(xiàn)高精度定時(shí)控制，控制板卡直接插在工控機(jī)的PCIE插槽中，通過(guò)LabVIEW中的FPGA編程模塊對(duì)其進(jìn)行脈沖的自定義編程，實(shí)現(xiàn)高精度雙脈沖的靈活發(fā)送。2SP0320T驅(qū)動(dòng)器包含最優(yōu)化且安全驅(qū)動(dòng)IGBT模塊的所有元件及功能：有源鉗位二極管(關(guān)斷時(shí)提供過(guò)壓保護(hù))、VCE檢測(cè)(短路保護(hù))等。通過(guò)LabVIEW人機(jī)交互頁(yè)面設(shè)置雙脈沖時(shí)間，通過(guò)PCIE-7841和2SP0320T給IGBT模塊發(fā)送+15 V/-10 V的雙脈沖。

如圖2(a)所示，系統(tǒng)的測(cè)試電路為典型的雙脈沖測(cè)試電路，主要目的是評(píng)估IGBT模塊的功能并獲得開(kāi)關(guān)參數(shù)特性。IGBT1和IGBT2為2個(gè)相同的IGBT，構(gòu)成模塊內(nèi)部的半橋結(jié)構(gòu)。IGBT2為待測(cè)試件，IGBT1加-15 V的柵極電壓，因此在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中始終處于關(guān)斷狀態(tài)。圖2(b)為測(cè)試電路的雙脈沖時(shí)序，首先，t0時(shí)刻給柵極第一個(gè)脈沖信號(hào)打開(kāi)IGBT2，通過(guò)開(kāi)關(guān)IGBT2使電感電流IL充電至所需測(cè)試的電流水平I1，并可以在t1時(shí)刻捕捉其關(guān)斷特性。從t1到t2時(shí)刻，器件保持關(guān)閉，電感電流通過(guò)IGBT1的二極管續(xù)流。然后，在t2時(shí)刻給柵極第二個(gè)脈沖信號(hào)，IGBT2被重新打開(kāi)，并可以在t2時(shí)刻捕捉與關(guān)斷情況十分相似的導(dǎo)通特性[7-8]。最后，當(dāng)IGBT2在t3時(shí)刻關(guān)閉時(shí)，整個(gè)雙脈沖測(cè)試過(guò)程完成。

(a)測(cè)試電路示意圖

(b)雙脈沖時(shí)序圖2 開(kāi)關(guān)特性測(cè)試電路及雙脈沖時(shí)序

1.3 電容組和負(fù)載電感的匹配設(shè)計(jì)

負(fù)載電感和電容組的量值影響電感的電流上升率和電容組的電壓下跌量。測(cè)試時(shí)電容組對(duì)負(fù)載電感充電，電感越小，電容越大，則電容組的電壓下跌越小。但若負(fù)載電感過(guò)小，在進(jìn)行高壓小電流測(cè)試時(shí)，電流的充電脈沖時(shí)間過(guò)短，不易控制；若負(fù)載電感過(guò)大，電流的充電脈沖時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，損耗增大[9]。三者之間關(guān)系的表示如下：

(1)

式中：Lload為負(fù)載電感；IL為電感電流；Cd為電容組的容值；V為測(cè)試時(shí)的電容組電壓；ΔV為下跌電壓。

對(duì)于額定電壓為Vrating的被測(cè)器件IGBT模塊，為保證IGBT模塊的安全，最大試驗(yàn)電壓Vmax不得超過(guò)80%Vrating。為了確保在最大電流Imax最大條件下的Vmax不超過(guò)80%，考慮到試驗(yàn)要求的Lload和Cd的限制條件可通過(guò)下式確定[10]：

(2)

(3)

經(jīng)推導(dǎo)得到式(3)，測(cè)試平臺(tái)的電路特性阻抗λ=Lload/Cd也可由式(3)推導(dǎo)出，如下所示：

(4)

Lload和Cd的選擇與所需的電壓和電流實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)。只要Lload和Cd不變，隨實(shí)驗(yàn)條件的變化就可以確定雙脈沖的持續(xù)時(shí)間。

2 IGBT開(kāi)關(guān)瞬態(tài)分析及優(yōu)化

2.1 IGBT開(kāi)關(guān)特性分析

利用圖1搭建好的測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)IGBT模塊的開(kāi)關(guān)特性進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，測(cè)試波形由示波器配合高壓差分隔離探頭和羅氏線圈進(jìn)行采集。測(cè)試結(jié)果如圖3所示，在t0時(shí)刻開(kāi)始進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，t1和t3時(shí)刻為其關(guān)斷瞬間，而t2時(shí)刻為其導(dǎo)通瞬間。由于測(cè)試回路中存在雜散電感，導(dǎo)致IGBT開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生較大的電流及電壓過(guò)沖。進(jìn)一步分析可知，柵極驅(qū)動(dòng)電壓UGE在開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程中出現(xiàn)振蕩，而集電極電壓UCE在第二個(gè)關(guān)斷時(shí)刻t3的電壓過(guò)沖較大，過(guò)沖電壓ΔV為336 V。忽略續(xù)流二極管導(dǎo)通壓降，關(guān)斷過(guò)沖電壓可由下式表示：

圖3 測(cè)試曲線

(5)

式中：if為關(guān)斷時(shí)的下降電流；Lloop為測(cè)試回路的雜散電感。

在IGBT導(dǎo)通階段，會(huì)有較大的反向恢復(fù)電流，導(dǎo)致IGBT導(dǎo)通過(guò)后出現(xiàn)較大的電流過(guò)沖[11]。此時(shí)，IGBT的導(dǎo)通過(guò)程中的電流過(guò)沖可表示為

(6)

式中：dio/dt為導(dǎo)通階段達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流時(shí)的電流變化率；CF=CD+CP，CD為續(xù)流二極管結(jié)電容，CP為負(fù)載電感中的雜散電容。

2.2 仿真分析

為探究測(cè)試回路中雜散電感對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓過(guò)沖的影響，本文采用Saber仿真軟件進(jìn)行電路仿真[12]，仿真的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.1 μs，仿真電路見(jiàn)圖4。通過(guò)改變測(cè)試回路總雜散電感Lloop的感值大小，分析并對(duì)比雜散電感對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)特性的影響。圖5所示的仿真波形表示了集電極電壓Vce和時(shí)間t的關(guān)系，展示了在300 V工況下不同回路雜散電感值對(duì)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程中電壓過(guò)沖的影響。顯然，回路雜散電感越大，關(guān)斷時(shí)刻的電壓過(guò)沖越大。

圖4 Saber仿真電路

圖5 仿真波形

2.3 雜散電感優(yōu)化方法

由仿真結(jié)果可知，雜散電感和過(guò)沖電壓成正比關(guān)系。針對(duì)測(cè)試回路的雜散電感，整體分析并通過(guò)阻抗測(cè)量?jī)x測(cè)量測(cè)試回路的雜散電感，測(cè)試結(jié)果是電容組的雜散電感較大。測(cè)試系統(tǒng)的電容組是通過(guò)銅排并聯(lián)連接的，測(cè)量單個(gè)電容和銅排的雜散電感都較大。假設(shè)測(cè)試回路中的線路雜散電感固定，而IGBT模塊中的雜散電感與其封裝工藝有關(guān)，也可視其為固定值，唯一可控的是優(yōu)化電容組的雜散電感。綜上分析，選購(gòu)雜散電感參數(shù)更小的電容EPCOS，并定制低雜散電感的疊層母排，使高壓電容組的雜散電感盡可能小，以減小開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生的電壓過(guò)沖。圖6為定制的疊層母排。

圖6 定制的疊層母排

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

建立了基于LabVIEW的IGBT開(kāi)關(guān)特性測(cè)試平臺(tái)，見(jiàn)圖7。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，充電電容為EPCOS鋁電解電容，容值為6 800 μF，負(fù)載電感為400 μH，采用IGBT模塊中的二極管作為續(xù)流二極管，IGBT模塊采用FF1400R121P4，驅(qū)動(dòng)器模塊采用2SP0320T。測(cè)試示波器采用InfiniiVsion DSOX4034A，柵極電壓UGE的測(cè)量采用示波器配套的普通電壓探頭；集電極-發(fā)射極電壓測(cè)量采用高壓差分探頭PT-5150，電流傳感器采用羅氏線圈TRCP3000，用來(lái)測(cè)量IGBT模塊集電極電流IC。所有探頭在試驗(yàn)前均已校準(zhǔn)。IGBT模塊的測(cè)試流程如圖8所示。

圖7 測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

圖8 測(cè)試流程

通過(guò)對(duì)測(cè)試回路中雜散電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用低雜散電感的電容和疊層母排。而柵極電壓在探針測(cè)量時(shí)引入了導(dǎo)線的雜散電感，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局將導(dǎo)線部分去除。優(yōu)化后的測(cè)試回路如圖9所示。測(cè)試過(guò)程中IGBT模塊的柵極電壓UGE保持為+15 V/-10 V的雙脈沖，電容組電壓為300 V。通過(guò)示波器波形曲線可知，第二次關(guān)斷尖峰電壓為350 V，過(guò)沖電壓ΔV僅為50 V，相比雜散電感優(yōu)化前的測(cè)試，過(guò)沖電壓大大減小。同時(shí)，柵極導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)的振蕩也大大減小。

圖9 優(yōu)化后測(cè)試波形曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了IGBT模塊開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程，并運(yùn)用Saber電路仿真軟件進(jìn)行了仿真分析。通過(guò)改變仿真電路中測(cè)試回路雜散電感值的大小，對(duì)比IGBT模塊開(kāi)關(guān)過(guò)程的仿真波形曲線，揭示了雜散電感對(duì)關(guān)斷電壓過(guò)沖的影響。然后，對(duì)測(cè)試回路中的雜散電感參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，主要是對(duì)電容組的雜散電感進(jìn)行優(yōu)化。最后，以IGBT模塊FF1400R121P4為例，通過(guò)搭建的IGBT模塊開(kāi)關(guān)特性測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，相比雜散電感優(yōu)化前的測(cè)試，過(guò)沖電壓同比減少約85%，對(duì)于IGBT模塊的測(cè)試有一定的指導(dǎo)意義。