CN102156253B - 一种igbt模块的双脉冲试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力半导体器件技术领域，具体涉及一种IGBT模块的双脉冲试验方法。通过在被测IGBT模块的栅极和发射极之间加上驱动正电压和负电压，既可控制其开通，也可控制其关断，给IGBT模块发两次PWM脉冲，封锁两次PWM脉冲，使IGBT模块经受开通-关断-开通-关断过程，来考核模块承受过电流的能力以及掌握其开通和关断特性，为高电压、大电流IGBT模块的应用提供参考和依据。

Description

一种IGBT模块的双脉冲试验方法

技术领域

本发明属于电力半导体器件技术领域，具体涉及一种IGBT模块的双脉冲试验方法。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管IGBT属于电力半导体器件技术领域，电力半导体器件是用于电能变换和电能控制的大功率半导体器件，它的发展经历了二极管、晶闸管、功率晶体管等阶段。

二极管又称晶体二极管，简称二极管(diode)，它只往一个方向传送电流的电子零件。它是一种具有1个零件号接合的2个端子的器件，具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

二极管为不可控器件，最重要的特性就是单方向导电特性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。

晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称，又可称作可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制，被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

晶闸管为半控型器件，在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。

晶闸管的工作条件为：

1)晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态；

2)晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通；

3)晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用；

4)晶闸管在导通情况下，当主回路电压(或电流)减小到接近于零时，晶闸管关断。

功率晶体管中以IGBT的发展最为迅速，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

IGBT为全控型器件，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V或负电压，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几V的驱动电压，只有μA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。

IGBT具有开关速度快，导通压降低，驱动功率小，工作频率高，控制灵活等特点，因此，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。目前，高电压、大电流的IGBT已经模块化，它的驱动电路现已制造出集成化的IGBT专用驱动电路，其性能更好，可靠性更高，体积更小，会在今后大功率的应用中占据主导地位；然而，高压大容量的IGBT模块至今还缺少简单、可靠的动态特性测试手段，一些测试仪器只能测量IGBT模块的静态参数，无法获取其动态特性参数，对今后的商业化应用缺乏指导与参考。

目前，一些测试仪器和测试方法能够测量IGBT模块的静态特性，获得相关静态工作参数，能为IGBT模块的选型和使用提供一定的依据；对于IGBT模块的动态特性，还缺少较好的测试方法。

单脉冲试验可以充分观察IGBT关断过程，如果只需要关注关断过程，则可以采用单脉冲试验；然而在大部分电力电子装置中，负载的电感量都比较大，在IGBT关断后，电感电流一般不会断流，二极管会一直续流，在此时开通IGBT，会有二极管的反向恢复过程；而单脉冲试验中是没有二极管反向恢复过程的，因而双脉冲试验比单脉冲试验更加真实，更符合实际工作状态。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明提出了一种新的试验方法-双脉冲试验方法，与其它试验方法相比，该方法具有明显的优势：电路简单、方法可靠，能够考核IGBT模块的过电流能力及动态特性。

IGBT模块为全控型器件，通过在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压和负电压，既可控制其开通，也可控制其关断，仅需给IGBT模块发两次PWM脉冲，封锁两次PWM脉冲，使IGBT模块经受开通-关断-开通-关断过程，就可以考核模块承受关断过电流及关断浪涌电压的能力，掌握其开通和关断特性，为高电压、大电流IGBT模块的应用提供参考和依据。如图1所示，具体试验方法为：

(1)确定试验电路；

确定合适的电路结构，使其模拟绝缘栅双极型晶体管IGBT模块的实际工作状态；所述电路结构为由IGBT模块构成的双脉冲试验电路，所述双脉冲试验电路包括电源、开关、调压器、变压器、整流桥、直流电容器、母排、散热器、电抗器、H桥IGBT模块；所述直流电容器起到电压支撑作用，直流电容器通过母排与H桥IGBT模块相连接；H桥IGBT模块安装在散热器上；电源经过开关、调压器和变压器后接入整流桥，将交流转变成直流后，对直流电容器进行充电；电抗器作为H桥IGBT模块的感性负载，连接到H桥IGBT模块的输出端；所述H桥IGBT模块包括第一IGBT(T1)、第二IGBT(T2)、第三IGBT(T3)和第四IGBT(T4)，其中第三IGBT(T3)为被测IGBT；

(2)根据试验电路及参数，计算脉冲宽度调制PWM的脉冲宽度；

试验电路确定以后，根据电路中元件的参数，由公式

计算出被测IGBT达到目标值所需触发脉冲的宽度；

(3)按照试验电路进行正确接线；

根据试验电路进行接线，确认接线无误后连接上电源，从而确保试验安全；

(4)封锁IGBT模块的脉冲宽度调制PWM的脉冲；

将控制器闭锁，封锁H桥IGBT模块中的所有IGBT的触发脉冲；

(5)给直流电容器充电到额定值；

缓慢调节调压器，通过整流桥向直流电容器充电，直至达到直流电容器的额定值；

(6)断开充电回路；

当直流电容器达到额定值后，电容电压基本保持不变，将充电回路断开；

(7)创造测试条件；

给第二IGBT(T2)发持续导通信号，第二IGBT(T2)持续开通；

(8)给被测的第三IGBT(T3)发送脉冲宽度调制PWM脉冲；

将控制器解锁，按照步骤(2)的方法计算出的脉宽时间，给被测的第三IGBT(T3)发送PWM脉冲，使其处于开通状态；

(9)当被测的第三IGBT(T3)达到额定电流值时，封锁PWM脉冲；

被测第三IGBT(T3)开通后，直流电容器、第二IGBT(T2)、负载和第三IGBT(T3)构成回路，负载上的电流呈线性增加，直至达到被测第三IGBT(T3)的额定电流峰值I_M，封锁PWM脉冲，从而使得被测的第三IGBT(T3)关断；

(10)过一段时间再次给被测的第三IGBT(T3)发送PWM脉冲；

被测的第三IGBT(T3)关断后，负载上电流会略有降低，经过一段时间后，按照步骤(2)的方法计算出脉宽时间，再次给被测的第三IGBT(T3)发PWM脉冲，使其开通；

(11)当被测的第三IGBT(T3)达到设定的关断电流值时，封锁PWM脉冲；

被测的第三IGBT(T3)开通之后，负载上的电流会在I_M的基础上继续呈线性增加，直至达到被测的第三IGBT(T3)设定的关断电流的峰值，封锁PWM脉冲，被测的第三IGBT(T3)再次关断；

(12)如果整个过程中被测的第三IGBT(T3)完好无损，则试验电路断电；

在额定或高于额定直流电压情况下，被测的第三IGBT(T3)经受了开通-关断-开通-关断峰值电流的试验过程后，如果整个过程中被测IGBT模块完好无损，则试验电路断电；

(13)试验结束。

本发明的有益效果是：

大功率模块的测试通常采用全功率运行试验，试验回路较复杂。在不考虑热设计的情况下，可以采用本发明提出的双脉冲试验方法，实现对IGBT模块的电压、电流电气应力的考核。试验中，双脉冲宽度可以调节，在确保器件安全的情况下，脉宽由窄到宽逐渐放开，直至达到本发明所述的考核峰值电流。

依据本发明的IGBT模块的双脉冲试验方法为IGBT模块提供了一种全新的测试手段，对于今后模块的商业化应用具有重要的意义。该方法的试验电路简单、试验方法可靠、测试风险低。可以获得IGBT模块开关过程中主要技术参数以及相关动态开通、关断工作特性，为高压大电流模块的应用提供参考和依据，解决了高电压、大电流IGBT模块的应用问题。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1示出依据本发明的方法的双脉冲试验电路图；

图2示出依据本发明的方法的电压、电流及PWM脉冲波形图；

图3是依据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的方法具体包括以下步骤：

1)按照试验电路图进行试验回路接线；

2)检查接线无误后，主电路合闸通电；

3)T1、T4管始终处于封锁状态，T2管处于开通状态，封锁被测IGBT(T3管)的PWM脉冲；

4)假设电容器很大，对直流电容器充电到额定值U_N，充电完毕后电容电压基本保持不变；

5)断开整流充电回路；

6)给被测IGBT模块(T3管)发PWM脉冲，T3导通，于是直流电容C、电抗器L及右上IGBT T2构成回路，电抗器上电流呈线性增加，直至增加到器件额定电流的峰值I_M，通过示波器观察其导通时的波形；

7)若IGBT模块无任何异常情况，封锁被测IGBT的PWM脉冲，T3关断，电抗器L与左上IGBT模块的二极管构成回路，电抗器上电流会有所减少；通过示波器观察其关断波形；

8)经过一段时间，再次给被测IGBT T3发PWM脉冲，T3又导通，电抗器上电流会在I_M的基础上继续上升，直至增加到器件设定电流的峰值，通过示波器观察其导通波形；

9)若IGBT模块无任何异常情况，封锁被测IGBT的PWM脉冲，T3关断，通过示波器观察其关断波形；

10)被测IGBT模块经受了开通-关断-开通-关断过程后，模块完好无损，至此，双脉冲试验结束。

以下通过具体实施例对本发明的方法进行详细的描述。双脉冲测试平台如图1所示，试验电路为H桥电路结构，被测IGBT模块为两只型号为FZ1500R33HE3的管子并联。用高压隔离探头测量Vce电压，用普通探头测量Vge电压，用罗氏线圈电流探头测量管子的电流。其电压、电流及PWM脉冲波形图如图2所示。

设定直流母线电压为1600V；设定电流为IGBT的安全工作区的边缘3000A，由于两只管子并联，因此电流取6000A；电感值选取1/3mH。

由

可得

$I=\frac{U\×t}{L}$

进而得出

$t=\frac{I\×L}{U}=1250\mathrm{\μs}$

从图2可知，要使电流在第二个脉冲关断时达到6000A，则两个脉冲的宽度之和为：

T1+T3＝1250μs

具体试验步骤为：

(1)按照试验电路图1进行试验回路接线；

(2)控制器闭锁，封锁H桥中所有IGBT的触发脉冲；

(3)检查接线无误后，主电路合闸通电；

(4)假设电容器很大，对直流电容器充电到额定值1600V，充电完毕后电容电压基本保持不变；

(5)断开整流充电回路；

(6)T1、T3管始终处于封锁状态，T2管始终处于开通状态，在t0时刻，控制器解锁，给被测IGBT模块发第一个PWM脉冲，T3饱和导通，于是直流电容C、电抗器L及右上IGBTT2构成回路，电抗器上电流呈线性增加，直至增加到器件额定电流的峰值3000A，通过示波器观察其导通时的波形；

(7)若IGBT模块无任何异常情况，在t1时刻封锁被测IGBT的PWM脉冲，T3关断，电抗器L与左上IGBT模块的二极管构成回路，电抗器上电流会有所减少，如图2中虚线所示，通过示波器观察其关断波形；

(8)经过一段时间，在t2时刻再次给被测IGBT T3发PWM脉冲，T3又饱和导通，续流二极管进入反向恢复，反向恢复电流会穿过IGBT，在电流探头上能捕捉到这个电流，如图2所示；电抗器上电流会在3000A左右的基础上继续上升，直至增加到2倍器件额定电流的峰值6000A，并通过示波器观察其导通波形；

(9)若IGBT模块无任何异常情况，在t3时刻封锁被测IGBT的PWM脉冲，T3关断，此时电流较大，由于杂散电感的存在，会产生一定的电压尖峰，并通过示波器观察其关断波形；

(10)被测IGBT模块经受了开通-关断-开通-关断过程后，模块完好无损，主电路断电；

(11)至此，双脉冲试验结束。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (1)

1.一种IGBT模块的双脉冲试验方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）确定试验电路；

确定合适的电路结构，使其模拟绝缘栅双极型晶体管IGBT模块的实际工作状态；所述电路结构为由IGBT模块构成的双脉冲试验电路，所述双脉冲试验电路包括电源、开关、调压器、变压器、整流桥、直流电容器、母排、散热器、电抗器、H桥IGBT模块；所述直流电容器起到电压支撑作用，直流电容器通过母排与H桥IGBT模块相连接；H桥IGBT模块安装在散热器上；电源经过开关、调压器和变压器后接入整流桥，将交流转变成直流后，对直流电容器进行充电；电抗器作为H桥IGBT模块的感性负载，连接到H桥IGBT模块的输出端；所述H桥IGBT模块包括第一IGBT（T1）、第二IGBT（T2）、第三IGBT（T3）和第四IGBT（T4），其中第三IGBT（T3）为被测IGBT；

（2）根据试验电路及参数，计算脉冲宽度调制PWM的脉冲宽度；

试验电路确定以后，根据电路中元件的参数，由公式

计算出被测IGBT达到目标值所需触发脉冲的宽度；

（3）按照试验电路进行正确接线；

根据试验电路进行接线，确认接线无误后连接上电源，从而确保试验安全；

（4）封锁IGBT模块的脉冲宽度调制PWM的脉冲；

将控制器闭锁，封锁H桥IGBT模块中的所有IGBT的触发脉冲；

（5）给直流电容器充电到额定值；

缓慢调节调压器，通过整流桥向直流电容器充电，直至达到直流电容器的额定值；

（6）断开充电回路；

当直流电容器达到额定值后，电容电压基本保持不变，将充电回路断开；

（7）创造测试条件；

给第二IGBT（T2）发持续导通信号，第二IGBT（T2）持续开通；

（8）给被测的第三IGBT（T3）发送脉冲宽度调制PWM脉冲；

将控制器解锁，按照步骤（2）的方法计算出的脉冲宽度，给被测的第三IGBT（T3）发送PWM脉冲，使其处于开通状态；

（9）当被测的第三IGBT（T3）达到额定电流值时，封锁PWM脉冲；

被测第三IGBT（T3）开通后，直流电容器、第二IGBT（T2）、负载和第三IGBT（T3）构成回路，负载上的电流呈线性增加，直至达到被测第三IGBT（T3）的额定电流峰值I_M，封锁PWM脉冲，从而使得被测的第三IGBT（T3）关断；

（10）过一段时间再次给被测的第三IGBT（T3）发送PWM脉冲；

被测的第三IGBT（T3）关断后，负载上电流会略有降低，经过一段时间后，按照步骤（2）的方法计算出脉冲宽度，再次给被测的第三IGBT（T3）发PWM脉冲，使其开通；

（11）当被测的第三IGBT（T3）达到设定的关断电流值时，封锁PWM脉冲；

被测的第三IGBT（T3）开通之后，负载上的电流会在I_M的基础上继续呈线性增加，直至达到被测的第三IGBT（T3）设定的关断电流的峰值，封锁PWM脉冲，被测的第三IGBT（T3）再次关断；

（12）如果整个过程中被测的第三IGBT（T3）完好无损，则试验电路断电；

在额定或高于额定直流电压情况下，被测的第三IGBT（T3）经受了开通—关断—开通—关断峰值电流的试验过程后，如果整个过程中被测IGBT模块完好无损，则试验电路断电；

（13）试验结束。

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