一種IGBT功率模塊工程應用型雙脈沖測試方法

侯湘慶，周 獻，李邦彥

(湖南電氣職業技術學院，湖南 湘潭 411101)

1 引言

目前，IGBT功率模塊廣泛應用于新能源、軌道交通、船舶電力及民用電器等產業中。IGBT作為控制系統的核心部件，它的穩定性對整個實際系統的可靠運行有著重要的影響。如果IGBT功率模塊失效[1]，引起的突發狀況，將會對人身財產及社會環境造成重大損失[2]。每個功率器件在出廠前都會進行充分的試驗驗證，在不同階段對IGBT進行雙脈沖試驗與可靠性試驗，更能直觀地了解產品性能[3]。雖然能通過IGBT的數據手冊了解其參數，但在實際工況中，IGBT外部參數會有所不同，因此需要通過雙脈

沖測試了解IGBT在具體系統中的真實情況[4]，包括評估驅動板的性能，IGBT在開通和關斷過程的動態參數，評價門極驅動電阻設計是否合適，IGBT關斷時的電壓尖峰是否合適[5]，關斷之后是否存在不合適的震蕩，評估二極管的反向恢復電流和安全裕量，測量母排的雜散電感等[6,7]。

本文提出了工程應用型雙脈沖測試方法，為應對不同IGBT模塊與驅動電路，設計了通用型雙脈沖測試裝置，通過改變兩次脈沖的寬度與調節電感的大小，在系統實際工況下進行IGBT功率模塊的靜態測試與動態測試，其測試結果滿足要求。

2 雙脈沖測試工作原理

雙脈沖測試工作原理如圖1所示，圖中為IGBT上管測試的原理圖，負載電感L與IGBT下管并聯，通過雙脈沖發生裝置給IGBT上管發送兩個脈沖。如果測量IGBT下管，則電感L與IGBT上管并聯，通過雙脈沖發生裝置給IGBT下管發送兩個脈沖。上電試驗時，首先合閘K1，三相交流電通過整流裝置給支撐電容通入直流電，然后斷開K1，此時電容U已有給定電壓值。

在t0時刻，給IGBT發送第一次脈沖，IGBT正常導通，負載電感L上的電壓為電容電壓U，電感產生一個線性電流I，由于U與L為外部參數，可以確定，那么第一次脈寬的時間長度可以決定電流I的大小，其公式如下：

(1)

在t1時刻，IGBT第一次關斷，L上的電流經過二極管續流并緩慢衰減。檢驗IGBT是否能夠安全關斷，以及關斷過程中的尖峰電壓。

在t2時刻，IGBT第二次開通，續流二極管產生反向恢復電流，在示波器上觀察尖峰電流，這個開通過程是重點關注對象，該電流的形態直接影響到換流過程的許多重要指標[8]。

在t3時刻，IGBT第二次關斷，此時電流較大，由于主回路中母線雜散電感的存在[9,10]，產生了關斷電壓尖峰，在這個關斷過程重點關注尖峰電壓Vce[11]。

圖1 雙脈沖實驗原理

雙脈沖試驗關注點：①在2次發脈沖的時候通過加大試驗脈沖寬度T，直至電流上升到過流保護點(過載工況)，并且過流保護發生動作，重點關注在過電流情況下IGBT是否能夠安全的關斷，并且器件不因過電壓尖峰而損壞[12]；②2次脈沖開通時刻負載電流是否震蕩及震蕩具體情況；③2次脈沖開通時刻直流電壓是否震蕩,考慮主電路上雜散電感情況[13]；④二極管的反向恢復電流的di/dt特性；⑤IGBT關斷時的電壓尖峰(Vce)是否合適，關斷之后是否存在不合適的震蕩；⑥門極板的驅動電阻和電容的選取影響著驅動波形情況[14,15]。

3 通用雙脈沖裝置設計

實際生產中，不同控制系統中的IGBT功率模塊的驅動電路，大多是光信號驅動或是電信號驅動。為測試不同的IGBT功率模塊與驅動板，本文設計了通用型雙脈沖發生裝置，裝置內設有故障保護、脈沖寬度調節、狀態監控及文本數據保存等功能，其組成原理框如圖2所示。

通用型雙脈沖裝置由6塊電路板組成和一個文本顯示器組成(信捷OP320-A-S)，其中電路板包括1塊DSP控制板，2塊光纖輸出板，2塊電信號輸出板、1塊MAIN底板。

雙脈沖裝置DSP控制板通過1個4芯的鳳凰插座與外部24V直流電源相連。DSP對外通信接口通過一個CAN接口(DB9備用)和一個RS232通信接口(DB9)組成。DSP板通過一個DB15接頭外擴JTAG燒寫口。2塊光纖輸出板中，一塊通過光纖頭HFBR1522和HFBR2522發送和接收光信號另一塊通過光纖頭HFBR1414和HFBR2412發送和接收光信號。在2塊電信號輸出板中，一塊通過3個20芯排插發送和接收脈沖信號，另一塊通過2個8芯鳳凰插座發送和接收脈沖信號。DSP控制板、光纖輸出板和電信號輸出板均通過96芯DB接頭與MAIN板相連。

4 雙脈沖試驗測試

本項試驗是檢驗IGBT器件及二極管的開通、關斷特性，驗證驅動板的驅動電阻選取是否合適，重點關注在過電流情況下IGBT是否能夠安全的關斷，并且器件不因過電壓尖峰而損壞。

4.1 試驗平臺的搭建

試驗平臺按照圖1進行搭建，測量對象為500 kW變頻器IGBT功率模塊。試驗硬件設備：通用型雙脈沖測試裝置1臺，高壓差分探頭2個，羅氏線圈電流探頭1個，普通探頭1個(測量驅動信號)，帶存儲功能的示波器1臺，負載電感1個(250 μh)，900 V直流電源，屏蔽層網格線，220 V隔離電源，控制器主電路一套。

圖2 通用雙脈沖測試裝置原理框

控制器主電路U1、V1、W1、U2、V2、W2相的IGBT雙脈沖試驗：以其中U1相IGBT上管測試為例：提供的900 V直流電源接入控制器直流輸入端，負載電感一端接控制器U1相出線銅排，控制器輸入直流負極接負載電感的另一端，負載電感接線使用高壓線。根據式(2)初步估計2次脈沖開通總時間t(第一次測試時脈沖開通時間應從小于t)，可以自行分配第一次與第二次脈沖開通時間，其中I表示控制器輸出額定電流，U表示直流電壓，L為負載電感，其公式如下：

(2)

4.2 IGBT雙脈沖靜態測試

在未上主電的狀態下，給主控電路板和驅動板外接24 V直流電源，測試U1～W2相IGBT的12路輸出脈沖全關斷時的電壓，并且記錄數據保存波形；通過DSP發全開通脈沖，測試U1～W2相IGBT的12路輸出脈沖全開通時的電壓，并且記錄數據。

U1～W2相IGBT關斷時電壓值為-14 V，在-15 V～ -12 V之間合格，脈沖開通時的電壓值為+14.5 V，在+12 V～ +15 V之間合格，脈沖開通時刻的尖峰電壓為16 V，不超過18 V合格。

4.3 額定負載工況下試驗

測試條件：直流側母線電壓900 V,負載電流588 A，負載電感L為250 μh，第一開通時間t1為80 μs，第二次開通時間t2為80 μs，兩次脈沖間隔時間t3為280 μs。

測量信號點：U1相上管IGBT的Vce電壓，直流電壓Vdc，IGBT驅動信號Vge，取負載電感電流IL(本次測量未取 Ic)。

測量方法：①電網通過整流裝置電壓給控制器支撐電容充電，支撐電容電壓達900 V左右即停止充電，斷開直流電源；②IGBT上橋臂雙脈沖測試：U1～W2相IGBT下橋臂給定一個恒定的負電平，使其始終處于截止狀態，上橋臂按圖1所示通過通用雙脈沖發生裝置給定IGBT的驅動脈沖Vge；③通過示波器記錄數據；Vce電壓、Vdc電壓、驅動信號Vge、負載電流IL。

測試結果：如圖3～圖6所示，IGBT驅動信號Vge開通電壓為12.8 V，在+12 V～ +15 V之間則合格，Vge關斷電壓為-13 V，在-15 V～ -12 V之間合格。圖4與圖6中，IGBT關斷時最大尖峰電壓為1020 V，因IGBT關斷時刻di/dt引起的電壓尖峰為120V。圖6中第二次關斷時刻負載電流有點震蕩現象，但在合理范圍內，電流尖峰為724 A，高于負載電流136 A，在允許范圍內。

4.4 過載負載工況下試驗

測試條件：直流側母線電壓900 V,負載電流716 A，負載電感L為250 μh，第一開通時間t1為100 μs，第二次開通時間t2為100 μs，兩次脈沖間隔時間t3為290 μs。測量信號點與測量方法與額定負載工況試驗相同。

圖3 額定負載試驗

圖4 IGBT第一次關斷時刻的放大波形

圖5 IGBT第二次開通時刻的放大波形

圖6 IGBT第二次關斷時刻的放大波形

測試結果：如圖7～圖10所示，IGBT驅動信號Vge開通電壓為12.5 V，在+12 V～ +15 V之間則合格，Vge關斷電壓為-13.2 V，在-15 V～ -12 V之間合格。圖10中IGBT關斷最大尖峰電壓為1020 V，因IGBT關斷時刻di/dt引起的電壓尖峰為120 V，第二次關斷時刻負載電流有點震蕩現象，但在合理范圍內，電流尖峰為892 A，高于負載電流176 A，在允許范圍內。

5 結論

本文設計了通用型雙脈沖測試裝置，搭建雙脈沖試驗平臺，可對不同的IGBT功率模塊進行快速而有效的雙脈沖測試。在500 kW變頻器IGBT功率模塊的雙脈沖試驗中，獲得了系統實際運行工況中IGBT開通與關斷過程的相關參數，即驅動信號、尖峰電壓、尖峰電流及電流震蕩等測試結果滿足要求，在過電流情況下，IGBT能夠安全關斷。為后續進行變頻器與

圖7 過載負載試驗

圖8 IGBT第一次關斷時刻的放大波形

圖9 IGBT第二次開通時刻的放大波形

圖10 IGBT第二次關斷時刻的放大波形

電機的整機負載試驗打下基礎，進一步考核了控制系統的性能。因此，此測試方法具有工程應用價值。