CN204116544U - 一种用于半桥igbt模块的双脉冲测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于半桥IGBT模块的双脉冲测试装置，双脉冲发波装置、电压测试表、示波器及探头、三相调压电源、低压电压源、可调负载电感设置在柜体内；双脉冲发波装置内集成有双脉冲发波板，发波板通过光纤连接功率单元板，功率单元板通过IGBT驱动电路驱动待测IGBT模块，发波板产生脉冲宽度调制信号，信号经由光纤进入功率单元板，再由功率单元板的驱动电路控制待测IGBT模块的开通与关断，之后可以测量IGBT模块的参数。优点是：可对比不同的IGBT的参数；获取IGBT在开关过程的主要参数；考量IGBT在变换器中工作时的实际表现；测试装置***集成，使IGBT模块双脉冲测试方便省时。

Description

一种用于半桥IGBT模块的双脉冲测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于半桥IGBT模块的双脉冲测试装置，尤其涉及一种以半桥IGBT为对象的对IGBT模块性能的测试装置。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)即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，非常适合应用于变流***如高压变频器、高压静止无功发生器、机车车辆牵引变流器、风力发电变流器、轻型直流输电等领域。

IGBT的应用如此广泛，随之而来的是IGBT的种类、厂家也越来越多。所以对IGBT的性能测试变得尤为重要。通常我们对某款IGBT的认识主要是通过阅读相应的datasheet，但实际上，数据手册中所描述的参数是基于一些已经给定的外部参数测试得来的，而实际应用中的外部参数都是个性化的，往往会有所不同，因此这些参数有些是不能直接拿来使用的。我们需要了解IGBT在具体应用中更真实的表现。在datasheet中，描述IGBT的开关的行为的参数主要包括：tdon,tr,tdoff,tf,Eon,Eoff,ISC等。要观测这些参数，最有效的方法就是：“双脉冲测试方法”。双脉冲实验可以在实验室对IGBT和驱动板进行测量，是设计功率单元中必不可少的测试步骤。本实验搭建一个双脉冲测试试验装置，可以更方便的进行双脉冲测试。

发明内容

为克服现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种用于半桥IGBT模块的双脉冲测试装置，实现方便快捷的测试IGBT模块各项参数。

为实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种用于半桥IGBT模块的双脉冲测试装置，包括柜体、双脉冲发波装置、电压测试表、示波器及探头、三相调压电源、低压电压源、可调负载电感，双脉冲发波装置、电压测试表、示波器及探头、三相调压电源、低压电压源、可调负载电感设置在柜体内；

双脉冲发波装置内集成有双脉冲发波板，发波板通过光纤连接功率单元板，功率单元板通过IGBT驱动电路驱动待测IGBT模块，发波板产生脉冲宽度调制信号，信号经由光纤进入功率单元板，再由功率单元板的驱动电路控制待测IGBT模块的开通与关断，之后可以测量IGBT模块的参数；

示波器的探头为可移动探头，探头包括高压电压测试端探头、低压电压测试端探头及电流测试端探头，根据测试项测试参数，高压电压探头测量IGBT模块的上管和下管的CE极间的电压，低压探头测试下管IGBT驱动波形，电流探头测量IGBT的上管和下管的电流波形；

三相调压电源的三项输出连接待测IGBT模块三项输入金属排的引出线处，为待测IGBT模块供电；

低压电压源的输出端连接IGBT模块上管的驱动端，低压电压源是小于20V的电源；

电压测试表连接IGBT模块正负极母排的引线处；

可调负载电感的两端连接在IGBT上管CE极间。

所述的发波板是基于CPLD芯片为控制核心，通过发波板上的拨码开关来控制双脉冲的脉宽及脉冲间距。

所述的高压电压探头为高压差分探头，电流探头为罗氏线圈电流探头。

所述的可调负载电感由两个电感串联组成。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、可对比不同的IGBT的参数，例如同一品牌的不同系列的产品的参数，或者是不同品牌的IGBT的性能。

2.、获取IGBT在开关过程的主要参数，以评估Rgon及Rgoff的数值是否合适，评估是否需要配吸收电路等。

3、考量IGBT在变换器中工作时的实际表现。例如二极管的反向恢复电流是否合适，关断时的电压尖峰是否合适，开关过程是否有不合适的震荡等。

4、测试装置***集成，使得IGBT模块双脉冲测试更方便，更省时。

附图说明

图1是待测功率单元连接图。

图2是半桥IGBT模块的双脉冲测试图。

图3是半桥IGBT模块的双脉冲测试装置电路图。

图4是双脉冲发波装置***图。

图5是双脉冲测试波形图。

图6是实施例的双脉冲测试图。

图7是杂散电感测试波形图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型进行详细地描述，但是应该指出本实用新型的实施不限于以下的实施方式。

见图1-图7，一种用于半桥IGBT模块的双脉冲测试装置，包括柜体、双脉冲发波装置、电压测试表、示波器及探头、三相调压电源、低压电压源、可调负载电感，双脉冲发波装置、电压测试表、示波器及探头、三相调压电源、低压电压源、可调负载电感设置在柜体内；

双脉冲发波装置内集成有双脉冲发波板，发波板通过光纤连接功率单元板，功率单元板通过IGBT驱动电路驱动待测IGBT模块，发波板产生脉冲宽度调制信号，信号经由光纤进入功率单元板，再由功率单元板的驱动电路控制待测IGBT模块的开通与关断，之后可以测量IGBT模块的参数；

示波器的探头为可移动探头，探头包括高压电压测试端探头、低压电压测试端探头及电流测试端探头，根据测试项测试参数，高压电压探头测量IGBT模块的上管和下管的CE极间的电压，低压探头测试下管IGBT驱动波形，电流探头测量IGBT的上管和下管的电流波形；

三相调压电源的三项输出连接待测IGBT模块三项输入金属排的引出线处，为待测IGBT模块供电；

低压电压源的输出端连接IGBT模块上管的驱动端，低压电压源是小于20V的电源；

电压测试表连接IGBT模块正负极母排的引线处；

可调负载电感的两端连接在IGBT上管CE极间。

其中，发波板是基于CPLD芯片为控制核心，通过发波板上的拨码开关来控制双脉冲的脉宽及脉冲间距；高压电压探头为高压差分探头，电流探头为罗氏线圈电流探头；可调负载电感由两个电感串联组成。

实施例：

见图2，IGBT模块的下管为被测对象，直流电源U提供***输入电压连接IGBT模块的c2和e1端，IGBT的上管门级驱动加以负压使上管始终保持关断状态，上管c2e2两端连接电感负载，利用发波设备给下管门级加以双脉冲驱动波形。用示波器观察下管CE极电压Vc1e1波形、下管驱动电压Vg1e1，流经下管电流Ic。从这些波形可以考量IGBT、驱动电阻、及***杂散电感的参数。

见图1、图3、图4，测试电路中，电压测试表连接双脉冲测试柜体中待测功率单元板正负极母排的引线处，电压测试表表头内嵌在测试柜柜体易于观察的位置，以便测量直流母线上的电压。图3中“待测单元金属排”将相应的功率单元板的输入及经整流桥后的直流母线连入测试***，IGBT模块就依照功率单元的装配方式安装在功率单元板的原始位置且只留一个IGBT模块，这样安装能测试到更接近IGBT模块真正工作时的效果。三相调压电源的三项输出连接待测功率单元板三项输入金属排的引出线处，用以给功率单元供电，用电压测试表可以看出输入电压的数值。低压电压源的输出端连接IGBT模块上管的驱动端，反向连接保证IGBT模块上管一直处于截止状态，这是IGBT双脉冲测试的需要。可调负载电感连接在IGBT模块上管的c2e2两端，为两个电感串联，可根据需要调节负载电感。

双脉冲发波装置中，双脉冲发波装置内部集成有双脉冲发波板，发波板通过光纤连接待测功率单元板，功率单元板通过IGBT驱动电路驱动待测IGBT模块，发波板负责产生脉冲宽度调制信号，信号经由光纤进入功率单元板，再由功率单元板的驱动电路控制待测IGBT模块的开通与关断，之后可以测量IGBT模块的相关参数。双脉冲发波板是基于CPLD芯片为控制核心，通过发波板上的拨码开关来控制双脉冲的脉宽及脉冲间距，发波板上的按钮S0每按下一次就会发送一次双脉冲。

具体测试步骤：

功率单元包括整流桥，IGBT，电容，和放电电阻，其连接结构见图1。

1)将待测功率单元装入双脉冲测试柜指定位置，单元上只留一个待测IGBT模块。

2)连线：将三项调压器的输出线与待测单元三项输入端连接；将电压测试表正负极引线与待测功率单元的直流母线正负极连接；将低压电源的输出端与IGBT模块上管驱动门级反向连接，保证上管门级一直是负压；将负载电感的两端连接在IGBT模块上管c2e2间；将脉冲发波板的光纤与功率单元板连接；功率单元板上一路驱动线与IGBT模块的下管驱动门级g1e1相连；将电压探头连接IGBT模块的下管c1e1处，电流探头连接IGBT模块下管e1极处，低压探头连接IGBT模块的下管门极g1e1。

3)上电：将给IGBT模块的上管门级供负压的低压电压源开启；给双脉冲发波板供电；功率单元板的供电一般是从功率单元的直流母线上取电；调节三项调压器，观察电压测试表表头数值，三项调压器将电压调至所需直流电压。

4)按下脉冲发波板上的按钮，此时发波板通过功率单元板将双脉冲发至IGBT模块的下管驱动端，控制IGBT模块的下管的开关。示波器显示测试数据及波形如图5所示。

5)用罗氏线圈电流探头测试IGBT模块的下管电流Ic；用普通探头测量下管驱动电压Vg1e1信号，用高压隔离探头取下管Vc1e1电压，上管IGBT的门极上加了负压，因此它是关断的，只续流二极管在起作用。

6)测试原理：见图5，在t0时刻，门极放出第一个脉冲，被测下管IGBT模块饱和导通，直流母线电压U加在负载L上，电感的电流线性上升。电流表达式为：I＝U·t/L。

在t1时刻，电感电流的数值由U和L决定，在U和L都确定时，电流的数值由t1决定，时间越长，电流越大。因此可以自主设定电流的数值。在t1时刻，被测IGBT模块关断，负载L的电流由上管二极管续流，该电流缓慢衰减。由于电流探头放在下管的发射极处，因此，在二极管续流时，IGBT模块关断，示波器上是看不见该电流的。

在t2时刻，第二个脉冲的上升沿到达，被测IGBT模块再次导通，续流二极管进入反向恢复状态，反向恢复电流会穿过IGBT模块，在电流探头上能捕捉到这个电流。在t2时刻，重点是观察IGBT模块的开通过程。反向恢复电流是重要的监控对象，该电流的形态直接影响到换流过程的许多重要指标。

在t3时刻，被测IGBT模块再次关断，此时电流较大，因为母线杂散电感的存在，会产生一定的电压尖峰。在t3时刻，重点是观察IGBT的关断过程，电压尖峰是重要的监控对象。

7)需要关注的点：

开通过程中，需要关注

a二极管的反向恢复电流的di/dt

b二极管的反向恢复电流的峰值

c反向恢复后电流是否有震荡，拖尾有多长

dVce电压是否正确变化

e测算出损耗，(依赖示波器功能)

调整门极电阻Rgon可以强烈地影响该过程，用以确定Rgon的数值是否合适。

关断过程中，需要关注为Vce的电压尖峰，它是直流母线杂散电感与di/dt的乘积，通过观察这个尖峰，可以评估IGBT模块在关断时的安全程度。Vce尖峰一般都客观存在，在短路或者过载时，这个尖峰会达到最高值，比正常工作时要高得多。在做关断测试时，IGBT的关断速度，可以决定IGBT是否超出安全工作区及损耗的大小可以据此调整出合适的关断电阻Rgoff。

8)二极管的风险点测试。

所有的功率半导体，包括IGBT芯片和二极管芯片，在关断的时刻面临的风险远大于其开通时面临的风险。二极管在反向恢复过程中，其瞬时功率不能超过规定的数值，否则就有损坏的风险。因此，二极管的瞬时功率是重要的判断标准。

见图6，测试方法：

将电流探头加在上管IGBT的集电极,续流二极管电流Irr；

将电压探头加在上管IGBT的CE极间，电压为Uc2e2；

将电压及电流的瞬时值的积做为一个函数通道，表示二极管的瞬时功率；

用示波器捕捉上管二极管的反向恢复时刻。

二极管反向恢复电流上升时，杂散电感上产生的电压是与母线电压相抵的。反向恢复电流下降时，杂散电感电压与母线电压同向，电压落在二极管上，二极管出现电压尖峰，风险加大。如果杂散电感比较大，二极管就更加危险了，容易跑出安全工作区。

二极管的电压尖峰是由于杂散电感与二极管反向恢复电流的后沿相作用而产生的。所以减小直流母排的杂散电感及优化反向恢复电流的后半沿的斜率都可以有效提高二极管的安全裕量。通常在IGBT的datasheet中，关于二极管的部分会注明反向恢复电流的最大的di/dt水平，通常不能超过这个数值。否则可能导致反向恢复电流震荡。二极管反向恢复电流的形状主要取决于IGBT厂商的设计，其前沿的斜率及后沿斜率在很大程度上受Rgon的影响。一旦增大Rgon，反向恢复电流则会缓和很多。在大功率的场合，通常需要追求的二极管的软度，而这主要体现在反向恢复电流的后沿的形状上。

9)主电路杂散电感的测量。

见图7波形所示，在IGBT模块开通时，Ic开始增长，而此时上管IGBT模块的续流二极管处于反向恢复，该二极管没有阻断能力，上管Uce＝0。在Ic开始增长时，杂散电感上感应的电压的方向如图所示，是与母线电压相反的，所以此时在下管的Vce上测得的波形出现了一个缺口，见图7波形中的虚线所示。这个缺口电压产生的原因是杂散电感抵消了一部分母线电压。也就是说，缺口的电压是杂散电感上的感应电压。

计算公式为Us＝Ls*di/dt；

从示波器上读出Us，再读出di/dt，代进上式，就能算出杂散电感Ls的数值。

本实用新型的优点是：

1)测试装置***集成，使得测试更方便，更省时；

2)评估IGBT在开关过程的主要参数，以及评估Rgon及Rgoff的数值；

3)评估***杂散电感大小。

Claims (4)

1.一种用于半桥IGBT模块的双脉冲测试装置，其特征在于，包括柜体、双脉冲发波装置、电压测试表、示波器及探头、三相调压电源、低压电压源、可调负载电感，双脉冲发波装置、电压测试表、示波器及探头、三相调压电源、低压电压源、可调负载电感设置在柜体内； 

双脉冲发波装置内集成有双脉冲发波板，发波板通过光纤连接功率单元板，功率单元板通过IGBT驱动电路驱动待测IGBT模块，发波板产生脉冲宽度调制信号，信号经由光纤进入功率单元板，再由功率单元板的驱动电路控制待测IGBT模块的开通与关断，之后可以测量IGBT模块的参数； 

示波器的探头为可移动探头，探头包括高压电压测试端探头、低压电压测试端探头及电流测试端探头，根据测试项测试参数，高压电压探头测量IGBT模块的上管和下管的CE极间的电压，低压探头测试下管IGBT驱动波形，电流探头测量IGBT的上管和下管的电流波形； 

三相调压电源的三项输出连接待测IGBT模块三项输入金属排的引出线处，为待测IGBT模块供电； 

低压电压源的输出端连接IGBT模块上管的驱动端，低压电压源是小于20V的电源； 

电压测试表连接IGBT模块正负极母排的引线处； 

可调负载电感的两端连接在IGBT上管CE极间。 

2.根据权利要求1所述的一种用于半桥IGBT模块的双脉冲测试装置，其特征在于，所述的发波板是基于CPLD芯片为控制核心，通过发波板上的拨码开关来控制双脉冲的脉宽及脉冲间距。 

3.根据权利要求1所述的一种用于半桥IGBT模块的双脉冲测试装置，其特征在于，所述的高压电压探头为高压差分探头，电流探头为罗氏线圈电流探头。 

4.根据权利要求1所述的一种用于半桥IGBT模块的双脉冲测试装置，其特征在于，所述的可调负载电感由两个电感串联组成。