功率器件IGBT 測試方法的探究

王 瑞

（寶雞文理學院物理系,721016）

0 引言

IGBT 是絕緣柵雙極型晶體管的英文縮寫，是電子電力技術領域應用十分廣泛的功率半導體器件，IGBT 由雙極性三極管和絕緣柵型場效應管組成，具有開關速度快，導通壓降低的優點，驅動效率小，控制方便、導通能耗小、開關頻率高，是在600V 及其以上的變流系統中具有重要的應用價值，例如交流電機、變頻器、照明電路、開關電源、牽引傳動等領域。在實際應用過程中，需要進行較大功率變換的場合，比如基于電壓源換流器的直流輸電系統中，電流側電壓十分高，而IGBT 器件自身存在一定的容量限制，這時就需要通過直接串聯、模塊化多電平串聯技術、級聯技術 、多電平、移相變壓器等來解決。以常見串聯技術為例，商用功率IGBT 器件的最高電壓等級為6.5kv，要分擔越高的電壓需要IGBT 的數量也越多。IGBT 的大功率變流器的應用過程中，會受到自身電氣應力、開關損耗等動態性的影響，導致器件的使用效果與設計預期效果相悖。因為IGBT 器件在不同的應用環境中，受到使用環境、驅動條件、環路寄生參數等的影響不同，測試具有不可重復性。本文主要探討對不同等級的IGBT 器件進行動態分析，建立大容量高精度的測試系統，獲得不同工作環境下的器件開關特性的過程。

1 大功率IGBT 器件測試的意義及現狀

IGBT 器件在大功率的應用場合中，受到較大的電壓電流過沖影響會造成變流器的穩定性與可靠性降低，還可能導致電磁污染的產生，針對不同的工作環境選擇合適的IGBT 器件是縮短產品的研發周期，提高產品可靠性的必然要求。半導體的生產廠家在生產與測試期間性能時，由于環境的差異，得到的相關數據具有不可重復性，因而在整個變流器的應用過程中，如果無法得到可靠的準確的工作狀態與性能就無法保證變流器的正常運行。

IGBT 測試技術旨在通過對工作溫度、門極驅動、工作電流和電壓、電路的寄生參數等的測試得到其對IGBT 器件工作性能的影響程度，并根據這些數據建立合理的行為模型，對電氣應力和開關損耗等進行預測。總之，功率器件IGBT 的性能測試研究可以為變流器效率的提高、裝置壽命的預測和器件在特定工作環境下的適應性做出有效的指導。

2 功率器件IGBT 測試方法與測試原理

在進行大功率器件IGBT 測試時比較常見的測試方法有基于雙脈沖電路的測試方法、開關瞬態測試在線測試方法等。本文主要就基于雙脈沖電路的測試方法及其原理、測試情況等進行簡要的說明。

基于雙脈沖電路的測試方法能夠從二極管反向恢復電流的震蕩情況來判斷IGBT 器件的動態性能，可以通過開關過程中的電流微分和雜散電感引起的電容微分函數來對驅動電路在不同開關狀態下的電阻值進行預測，還可以通過IGBT 在開關過程中的狀態獲得相關的動態參數，了解開關的損耗值。除此之外，基于雙脈沖電路的測試方法可以對IGBT 器件的過流保護、短路保護、電壓箝位功能等進行測試，如果加入加熱器，也可以對溫度對IGBT 器件性能的影響進行測試。

基于雙脈沖電路的測試方法的原理是：在一個測試電路中連接兩個IGBT 器件，并將下方的IGBT 器件作為測試的對象，用不同的探頭分別對不同時刻被測試的IGBT 器件的電流、電壓進行測試。測試電路如圖1。

圖1 雙脈沖的測試電路

如圖1 所示，處于上方的IGBT 器件因為連接了負載電感L，在使用探頭對其驅動信號進行測試時，其兩端的信號始終為0，也就是說，處于上方的IGBT 器件始終處于關斷的狀態。

不存在門極懸空的狀態下，讓下方的被測IGBT 器件處在關斷的狀態下，閉合電源電路，使高壓電源為母線上的電容充電，充電完成之后可以打開電源電路的開關，將控制電容放電回路的開關閉合，讓電阻R 與電容形成放電回路。

整個充電放電的過程中，可以用公式來表示。充電時，母線電壓加載到電感L 上，可以表示為di/dt=U/L，此時充電電流的上升速度決定于電壓U 和電感L，關斷時的電流大小取決于充電的時間。因此，在關閉K1 開關進行充電的過程中，電流的上升與時間的關系呈正比例函數，最終的電流上升值和上升的速率可以自行設定，此時可以進行驅動電路的短路保護和過流保護等功能的測試。

當K1 開關打開，處于下方的被測IGBT 器件被關斷，探頭在檢測負載電流的時候是將其置于被測IGBT 器件下方，這個時候的負載電感的電流衰減十分緩慢，因此在示波器基本無法觀察到續流電流。

當K1 開關打開而K2 開關關閉的時候，整個電路呈現放電狀態，這時被測的IGBT 器件會再一次導通，當IGBT 器件中出現反向電流導通的時候，示波器上能夠觀察差比較明顯的尖峰。與此同時，雜散電感引起的電壓和整個電源電路的電壓是相反的，所以在波形圖上會出現一個比較小的缺口。當K2 開關斷開的時候，IGBT 器件再次處于關斷的狀態，這時由于產生的電流比較大，母線雜散電感會產生一個電壓尖峰。

3 功率IGBT 器件測試時的觀察內容

在整個測試的過程中，需要進行測量的物理變量包括：二極管反向恢復電流的峰值及變化率di／dt、拖尾時間、被測IGBT兩端的電壓變化等。同時要注意整個變化過程中示波器的波形振蕩曲線。在觀察相關圖像和物理量變化的時候，如果電阻對與IGBT 器件的開通過程電流變化率影響較大，那么可以決定開通損耗，這時可以對電阻值的大小是否合理進行有效的判斷。

對于參與測試的反向二極管而言，功率IGBT 器件與相應的反向二極管被關斷時都可能出現一定的風險，風險主要來源于放電電路的反向恢復電流與雜散電感的作用。

IGBT 器件一般情況下是具有過流保護與短路保護功能的，但是反向二極管不存在這樣的功能，所以，在關斷電路反向恢復過程中，瞬間功率值超出可以承受的范圍時，就容易造成反向二極管的損壞。通過觀察反向二極管的工作曲線可以對其狀態進行判斷。

通過的電流變化曲線可以發現，在反向電流不斷增大的時候，雜散電感產生的電壓與電源電路的母線電壓是正好相反的，但在電流降低的時候，二者的方向則是一致的。當方向一致的時候，就會產生一個電壓的尖峰時刻，此時二極管的損毀危險增大，也就是說雜散電感越大，二極管發生損毀的危險也越大。可以通過波形變化看出二極管是否處在安全區域。通常情況下，二極管在特定的條件下會有一個固定的安全裕量，由于雜散電感和反向恢復電流的后沿相互作用產生一個超出正常值的尖峰電流，因此可以通過對反向恢復電流的后半段斜率的優化及雜散電感的優化達到提高二極管損毀安全裕量的目的。

圖2 二極管的不同狀態顯示

圖2 所示的示波器波形曲線是二極管在安全狀態下和危險狀態的不同顯示。

基于雙脈沖的測試電路還可以對驅動電路的有源箝位功能、主電路雜散電感等進行測試。

對驅動電路的有源箝位功能得測試就是通過觀察尖峰的產生來對IGBT 器件關斷瞬間的安全性進行評估。三種情況下，尖峰電流會升高，分別是功率增加和短路、過載，而有源箝位功能的目的就是抑制尖峰電壓的產生。在進行測試的時候可以通過繞指導線與平面母線的相互替換來達到增加雜散電感，測試有源箝位功能（通過缺口電壓的理論值與實測值的比較來判斷驅動電路的有源箝位功能）。

對主電路雜散電感的測試第二個脈沖開始時的缺口電壓來判斷雜散電感上的感應電壓，通過示波器上讀出的電壓值與電流的變化量計算雜散電感值（計算公式U/L=di/dt）

總之，通過選擇合適的測試方法可以獲得電路參數對功率器件的特性影響是預測電氣應力和開關損耗，對于提高實際應用的環境適應力具有重要的指導意義。

4 結論

功率器件IGBT 因導通功耗小、開關頻率高等的優點被廣泛應用于高壓功率換流器中， IGBT 器件在生產廠家的測試具有不可重復性，但在特定的工作環境中會受到環境溫度、驅動條件、環路寄生參數等的影響。論文通過基于雙脈沖電路的IGBT 器件測試方法，獲得電路參數對功率器件特性的具體影響情況，并對其進行了詳盡的探討分析；還就電路參數對電氣應力、開關損耗情況進行預測，這也說明選擇合適的測試方法對于提高功率器件在實際應用的環境適應力與應用效果具有重要意義。

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