IGBT短路电流测试原理及测试IGBT短路电流测试台

2019-04-28 22:18 IGBT短路电流测试台

在开发电力电子装置的过程中,我们需要做很多的测试,但是短路测试常常容易被忽略,或者虽然对装置实施了短路测试,但是实际上并不彻底和充分。下面2种情况比较常见:

1. 没有实施短路测试,
a. 因为觉得这个实验风险太大,容易炸管子,损失太大;
b. 觉得短路时电流极大,很恐怖;
2. 实施了短路测试,但测试标准比较简单,对短路行为的细节没有进行观察
本文将详细介绍正确的,完整的短路测试方法,及判断标准。
短路的定义(1):

桥内短路(直通)
命名为“一类”短路
硬件失效或软件失效
短路回路中的电感量很小(100nH级)
VCE sat 检测
桥内短路(直通)
桥臂间短路(大电感短路)
?? 命名为“二类”短路
?? 相间短路或相对地短路
?? 短路回路中的电感量稍大(uH级的)
?? 可以使用Vcesat ,也可以使用霍尔,根据电流变化率来定这类短路的回路中的电感量是不确定的
桥臂间短路(大电感短路)
一类短路测试的实施方法一:
下图为实施一类短路测试时的示意图。电网电压经过调压器,接触器,将母线电容电压充到所需要的值,再断开接触器。上管IGBT的门极被关断,且上管用粗短的铜排进行短路。对下管IGBT释放一个单脉冲,直通就形成了。这就是一个典型的一类短路测试。
一类短路测试的实施方法
一类短路测试的实施方法一的注意事项:
该测试需要注意的事项:
1. 该测试的关注对象是电容组,母排,杂散电感,被测IGBT;
2 短路回路中的电感量很低,所以上管的短路排的电感量可以极大地影响测量的结果,因此绝不可忽视图中所示“粗短铜排”的长短和粗细;
一类短路测试的实施方法
3. 短路测试的能量全部来自母排电容组,通常来说,虽然短路电流很大,但是因为时间极短,所以这个测试所消耗的能量很小,实验前后电容上的电压不会有明显变化;
4. 上管IGBT是被一直关断的,但是这个器件不可或缺,因为下管被关断后,短路电流还需要由上管二极管续流;
5. 该测试需要测量三个物理量,分别是,下管的Vce,Vge,及Ic;
6. 电流探头需要测量图中Ic的位置,而不是短铜排的电流,这两个位置的电流波形是不同的;
7. 下管IGBT的脉冲需要严格控制,最开始实验可以使用10us,然后逐步增加;
8. 环境温度对实验结果有较大的影响,通常datasheet给出的高结温的结果;对应用者而言,常温实验是比较现实的;但低温时的短路测试会比较苛刻,如果系统规格有低温要求时,是有必要进行测试的;
9. 在此实验前需要对直流母排的杂散电感有一定的评估,或者用双脉冲测试方法对IGBT关断时的电压尖峰进行评估,以把握好短路时的电压尖峰,这个值可能会非常高;实验步骤及方法:
1. 在弱电情况下,确认所发单脉冲的宽度;
2. 将母线电压调至20~30V,发送一个单脉冲,此时也会发生短路,会有一定的电流,利用此步骤确认电流探头的方向及其他各物理量测量正确,同时确认示波器能正确捕捉该瞬间;这个步骤会比
较安全;
3. 短路测试时,母线不宜过低,否则可能会见到一些奇异的震荡;对于1200V的IGBT,母线为500V起;1700V的IGBT,母线为700V起;3300V的IGBT,1000V起;
4. 母线加到额定点,将进线接触器断开,放出单脉冲,装置会发出“咚”的一声响,确认示波器捕捉到该时刻;
5. 通常来说,如果一切都设置正确的话,短路测试是很容易成功的,但也可能由于某些细节没有处理好,存在一定的几率,该测试会失败——这个IGBT会失效,并将电容的能量全部放掉,一般不
会爆炸得很厉害;6. 第一次发10us的脉冲实际上是一种尝试性测试,其目的是,在尽量低风险的情况下,对设备的短路性能进行最初步的摸底;
7. 如果第一次10us测试已经发现波形有问题,则需要整改;
8. 如果第一次10us测试发现IGB没有发生退饱和现象,则可能意味着短路回路电感量太大,需要整改;
9. 如果第一次10us测试发现波形正常,可以脉冲延长至12us,再做,再延长到15us,再做,如果发现驱动器释放出来的脉冲不再增长,则意味着驱动器对IGBT进行了保护,否则,意味着驱动器保护电路设置有问题,需要整改;
对结果的评判(1)
下图为某一个测试结果,
1. 用电流的上升率di/dt求出短路回路中的全部电感量,再减去之前测出的杂散电感,就能得到插入的铜排的感量;
2. 关注短路电流的最高值,与datasheet中标注的值进行比较,是否过高,电流是否有震荡;
3. 从IGBT退饱和算起,至电流被关断,期间的时间是否控 制在10us内,这个条件是不可以妥协的;
测试结果
某品牌1500A/3300V的IGBT的一类
短路测试,Vdc=2200V,Tj=25℃,
@CONCEPT瑞士实验室
红线:Ic
蓝线:Vce
绿线:Vge
4. 短路电流的峰值与门极钳位电路有很大的关系,如果门极钳位性能不好,短路电流峰值会很高;
5. 关注Vce电压,需要多久才退饱和,在关断时刻时,Vce电压尖峰有多高,是否存在危险,有源钳位是否动作;
6. 门极电压的评判需要比较谨慎,因为这个测试di/dt及du/dt都很大,门极探头很容易测不准
某品牌1500A/3300V的IGBT的一类 短路测试
某品牌1500A/3300V的IGBT的一类
短路测试,Vdc=2200V,Tj=25℃,
@CONCEPT瑞士实验室
红线:Ic
蓝线:Vce
绿线:Vge
另一个IGBT的测试结果:

下图是另外一个1700V的IGBT的一类短路测试结果。
这个IGBT的速度比较快,因此Vce开始先下降,然后IGBT才发生退饱和,Vce才上升至直流母线。
不同的品牌,代数,电压等级,电流等级的IGBT 其短路行为会有差别,不过本质是相同的。
某品牌450A/1700V的IGBT的一类短。 路测试
某品牌450A/1700V的IGBT的一类短。
路测试,Vdc=1200V,Tj=25℃,
@CONCEPT瑞士实验室
红线:Vge
蓝线:Vce
黄线:Ic存在问题的波形:
下图是一个在真实装置开发中有问题的结果,如果不做调整这个IGBT会面临较大风险。
存在问题的波形
下图是同样的装置经过调整,达到了理想的实验结果。
理想的实验结果
门极钳位(gate clamping)功能的测试:
在短路测试中,电流的形状与门极钳位电路的性能密切相关,而门极钳位的功能只有在这个时候才能体现出来。由于很多人都不太了解IGBT的短路行为,或者是没有深入测试设备的短路性能,因此,导致了对门极钳位电路的不重视。门极钳位电路出现的原因是IGBT存在米勒电容,在IGBT短路时,米勒电容会影响门极电压,导致短路电流激增,使IGBT承担风险。
越大容量的IGBT,米勒效应越强,门极钳位电路越重要。
差的门极钳位的结果:

下图为某型号2片1500A/3300V并联的短路测试波形,使用门极和发射极间的TVS进行门极钳位,如下图示。
差的门极钳位的结果
母线电压为2200V,实验结果显示,
IGBT的电流峰值为13.36kA。
CH1,2:Vge
CH3 4:Vce
好的门极钳位的结果:

在上页的基础上,完全相同的硬件设置,只是修改了门极钳位电路。用下图所示的门极钳位电路。
好的门极钳位的结果一类短路测试的实施方法二
下图为实施一类短路测试的另外一种方法。给上管IGBT驱动器一个常高信号,使上管保持开通,再给下管发单脉冲。这个实验的优点是,确保短路回路中的电感量就是直流母线的杂散电感,足够低。
一类短路测试的实施方法二
注意事项:
1. 在前文介绍的短路测试方法一中,有一个缺点,如果插入的短路电缆没有控制好,感量过大,会导致进入了二类短路;
2. 在并联的情形下做短路测试方法一,如果并联的桥臂中插入的感量不一致,不对称,非常容易导致炸管;
3. 短路测试方法二中,短路回路的电感量非常稳定,就等于电容,母排,IGBT模块的杂散电感之和,短路电流变化率很高,轻易就能达到5000A/us的水平;
4. 在这个实验中,短路脉冲的宽度必须被控制住,从窄至宽慢慢放开;
5. 这个实验中,放出单脉冲的那只IGBT总是会先退出饱和区;
一类短路测试的实施方法二二类短路测试方法:
在实际运行的机器中,二类短路是比较容易遇到的短路类型,例如逆变器在拖动电机时,电机定子侧短路,此时就是二类短路。对这种短路的测试方法是在短路回路中插入某一数值的感量,然后观察其短路行为。
二类短路测试方法
波形
右图所示为二类短路的测试波形,IGBT导通后,首先进入饱和导通,然后随着电流的增加,当电流到达IGBT的退饱和点时,IGBT电压迅速上升。这标志着IGBT退出了饱和区。然后驱动器经过定
时后,关断IGBT。
二类短路测试波形
过流保护功能的验证
当短路回路中的电感量继续增大时,就会变成过流。过流的特征是:
1. 电流斜率较低,霍尔器件能侦测到;
2. 电流一定会流过桥臂输出端;
因此,霍尔元件就是过流保护电路的关键元器件。关于霍尔的动态性能,有2个参数是最重要的:
1. di/dt 跟随精度
2. 响应时间
下图摘自某霍尔的datasheet:
霍尔的datasheet
霍尔元件的关键性能指标:
用双脉冲测试方法,把IGBT的电流测出来并显示在示波器上,并以此为参考。将霍尔的输出信号,经过系统的滤波后,也放在示波器上。观察所检测的信号是否能及时并准确地跟随被测电流。
霍尔的响应时间通常在1us以内,对于过流保护这项功能来说,已经足够快了,只要系统传输这个信号时,不要过分的插入惯性环节,这个响应时间是足够的。霍尔的电流跟随精度通常能达到50A/us,或者100A/us,这个水平也是很快的了,通常过流现象在时间上并不苛刻,IGBT完全能在几十或者几百us内耐受得住。
霍尔元件的关键性能指标
电流环的带宽对系统的贡献:
在电力电子系统中,控制对象总是某个或者某几个物理量,其中,电流环是最重要的控制环路。电流环通常是内环,它具有带宽高,速度快,动态响应快的特点,因为电流是由电感量限制的,所以电感量越低,电流的变化速度就越高,电流环如果要把握住这个电流,就需要更高的带宽。
可以这样说,控制系统的电流环带宽越高,系统对电流的把控能力就越强,在遇到过流现象时,系统会越早知道,并做出反应。所以,建议将电流环的带宽做高些,以便系统能更好的把控电流
华科智源,致力于全球电力电子测试方案提供商,主要提供电力电子相关的大功率分立器件测试仪、IGBT测试仪、变流器IGBT测试仪,牵引系统IGBT测试仪,IGBT静态参数测试仪半导体参数图示仪IGBT动态参数测试系统、MOS管动态参数测试仪、IPM测试仪、雪崩耐量测试仪、浪涌测试仪等功率半导体测试设备。