双脉冲试验及注意事项

　　双脉冲试验及注意事项对于电力电子工程师来说，功率元件是我们的设计对象，而IGBT由于其优良的特性被广泛应用于功率元件。功率元件的效率、保护功能、EMC等性能与IGBT的应用设计密切相关，不同的IGBT技术也造就了不同性能的IGBT产品。为了优化和验证元器件的性能，验证不同IGBT的性能，我们引入了双脉冲测试方法。通过这个工具，我们可以实现以下具体功能：

　　详细了解IGBT参数，如Eon、Eoff、Tdon、Tdoff、Tr、Tf、贴片开关特性等。本次测试的意义在于验证datasheet中的参数值，评估不同模块的性能。

　　驱动电路的设计评估。 Rg、Cg和栅极电缆的选择会影响栅极的波形、是否振荡、dv/dt、di/dt等特性。此外，米勒钳位、栅极钳位、有源钳位、软关断设计均可在此测试中进行评估。

　　热设计参数检查，通常的热设计是根据规范中的Eon，Eoff，这些给出的值是根据具体的测试条件，由于模块性能的优化和平衡要求，实际的Eon，Eof是常与理论值不符。例如，由于EMC的要求，我们希望dv/dt、di/at越小，这就会导致Eon、Eoff越大。通过本次测试，我们将得到真实的Eon、Eoff值，使仿真更加逼真。系统杂散电感：模块工作电压在任何情况下都应低于额定电压，低温时应考虑降额。 IGBT的电压峰值还取决于系统杂散电感、关断时的di/dt、母排电压等。通过本次测试可以评估系统允许的最大杂散电感，并可以比较不同母排的杂散电感.

　　Sink电路检查：当关断峰值过大时，我们需要一个缓冲电路来降低峰值电压。缓冲电路的形式、缓冲元件的电容、内部电感和放置位置都会影响峰值电压的大小。过流和短路保护电路检查：本实验需要检查关断峰值电压、关断时的栅极波形、短路电流、保护电路的动作时间，以及是否有振荡。汇流排和交流排并联设计：当模块需要并联工作时，模块的结温与模块的均流程度有关，这将导致模块能否可靠工作，以及模块的工作时间长短。生活是。整个系统的寿命取决于模块最坏的工作条件状态。不仅如此，多个模块的并联也对过流和短路保护的设计提出了挑战。

　　如上图所示，双脉冲测试系统由直流电源、母线支撑电容、吸收电容、驱动电路、被测GBT、负载电感、示波器、电压探头和罗氏线圈组成。由于IGBT通常工作在高温下，其性能与低温下不同。我们还需要一块热板来了解IGBT在不同温度下的特性。

　　上图中，IGBT的上管在初始脉冲时截止，下管在接收到脉冲时导通，母线电压通过负载电感L，与下管IGBT形成回路，而电感上的电流由于电压的存在而上升，电感上的电流可由di=dt(U/L)得到。

　　同时母线电压也可以调节，电感的大小和导通时间可以获得不同的峰值电流。第一个脉冲结束时，IGBT关断，电感上的电流继续流经上管的二极管。由于杂散电感的存在，电流不能突然变化，会在关机瞬间造成峰值电压。关断峰值电压可由U=L*di/dt计算。

　　在第二个脉冲发出前，上管二极管处于续流导通状态。第二个脉冲发出后，上管的二极管反向恢复，这个电流会流过下管，而电感电流继续上升，关断时下管会出现较大的电压尖峰.如果需要观察二极管的反向恢复特性，需要观察脉冲导通时的波形。

　　下图是实测双脉冲波形：

　　双脉冲测试设备

　　用户可以购买或制作自己的双脉冲测试平台，包括以下部分：

　　直流电源：所有配置的直流电源电压应大于模块的额定电压。由于负载是短时脉冲，直流电源一般在1KW左右。低压驱动电源：如果驱动核有隔离稳压功能，可选用24V输入，电流1A左右的可调稳压电源，根据需要调节功率输出。驱动核心。如果驱动电路没有隔离和稳压功能，则低压电源应具有此功能。隔离电压大于模块额定电压的两倍，电压输出精度在正负0.2V以内。

　　母线支撑电容：当IGBT开关时，能量由电容提供。通常被测IGBT模块的电流约为几安培到两千安培，相应的电容在几百微法到几毫法之间线性选择。直流母线：平台测试设备针对不同的功率元件，每个元件的母线电感不同。为了模拟不同元件的母线电感，平台中的直流母线可以做成可调电感形式。更好的方法是使端子与模块接触的长度可调。

　　电感：电感在系统中有两个作用，一个是作为负载调节输出电流，观察模块在不同电流下的开关状态等，另一个作用是模拟不同的工作状态，比如短路电缆的长度，该电感在大电流下无需饱和，一般制成带空心抽头的可调电感。可调电感范围通常在几十纳亨到几微亨左右。

　　热板：模块的开关特性与温度有关。例如，125度时的开关损耗是25度时的1.38倍。详细解释请参考赛米控应用技术手册第279页，或中文版第292页。在验证IGBT在不同温度下的性能时，可以用万用表检测内部NTC或PTC温度，以确认芯片已达到要求的温度。

　　双脉冲发生器：双脉冲发生器可以提供测试测试信号需要独立控制脉冲宽度和脉冲间隔。

　　密闭柜及卸料装置：保护。

　　驱动电路：尽量选择被测模块实际使用的驱动核。由于不同驱动核的推挽电路性能不同，在相同的栅极配置下可能会出现不同的栅极特性。

　　示波器和探头：用于测试栅极电压的差分低压探头，用于测试CE和Rogowski线圈之间用于测试电流的峰值电压的差分高压探头。使用实际功率元件作为测试平台标准的双脉冲测试平台更适合比较不同模块的性能参数，但IGBT实际工作在组件中，系统的杂散电感，驱动电路等与标准测试平台不一致，要评估组件中IGBT的实际性能，可在实际组件中进行双脉冲测试，使测试结果更接近实际情况。用户只需更改软件即可实现该功能。

　　测试注意事项

　　安装测试系统或接触IGBT模块时，佩戴防静电腕带并确认保护有效。

　　根据测试目的选择合适的测试平台。例如，最好测试元件中的Eon和Eoff，因为系统的杂散电感更接近实际工作情况。

　　为获得准确的测试数据，测试设备必须定期由专业检测机构进行校准，尤其是测试探头。

　　准确的测试需要将示波器预热10-20分钟，这样采样数据才准确。

　　在测试过程中，应注意干扰可能导致测试不准确。测试探针的放置有很大的影响。它可以垂直于被测设备并远离大的di/dt、dv/dt噪声。测试时探头应扭转。减少共模噪声的干扰。测试脉冲宽度应考虑IGBT允许的最窄脉冲。如果脉冲太窄，内部载波不稳定，会导致模块振荡等异常现象。通常窄脉冲限制在4us以上。

　　被测器件中不工作的IGBT应钳位至负电压或栅极与发射极短接，否则因噪声干扰或米勒效应等会误导pass模式快。如下图所示，大的dv/dt导致电流通过米勒电容流向栅极，在栅极和发射极阻抗上产生压降，这可能会导通IGBT。

　　大功率模块测试需要的电流比较大。这时要注意母线电压的下降。应提高母线的输入电压，以补偿脉冲测试时的压降，以免影响测试结果。由于模块中杂散电感的存在，辅助端在测试IGBT关断峰值时更接近芯片的实际峰值电压。短路测试时脉冲宽度不能高于10us，这样即使10us内保护电路没有关断模块，双脉冲测试设备也会关断。 - 一般不会被销毁。栅极电缆的长度对测试结果有影响，它会导致栅极波形发生变化，而栅极波形会影响损耗和短路电流等参数，因此电缆长度应接近实际工作测试期间的条件。 IGBT允许的最大工作峰值电流为额定电流的两倍，除短路测试外，实测电流不应超过模块额定电流的两倍。

　　由于IGBT内部布局的不同，上下管的杂散参数不同。这些差异会反映出上下管特性的不一致，因此在双脉冲测试时应分别对上下管进行测试。

　　关于是否加缓冲电容，如果是为了验证模块的性能，是不需要加缓冲电容进行测试的。在验证组件的性能时，将模块放入组件中进行测试。此时必须与组件的实际设置一致。如果该组件实际上与吸收电容器一起工作，则需要添加它。

　　系统中存在强干扰和不同参考电位，尽量采用光纤作为双脉冲发生器与驱动器的接口。

　　安全须知

　　由于系统中的高电压，测试人员需要在被允许进行测试之前接受培训。

　　测试人员需配备防护用品，如绝缘鞋、防护眼镜等。

　　双脉冲测试至少需要两人同时进行。

　　双脉冲平台应有紧急断电装置。

　　双脉冲测试平台机柜、高压电源和示波器应可靠接地，否则有触电危险。

　　电容器组应有强制放电装置。

　　每次打开测试平台调整设置或拆卸模块时，应使用万用表检查系统是否完全放电。

　　母线电压充电前，先给低压系统上电，用双脉冲测试设备测试脉冲，确认驱动板工作正常。确认无误后，将输出电压由低调至高，将输出脉冲由短调至长，每次测试完成后将高压电源电压和脉冲宽度复位为0。

　　试验前，试验者应交叉检查接线是否正确。

　　上电时，驱动器必须先上电，断电时，主电源必须先断电，然后降为0才允许驱动器断电，否则门极可能会误导通不受控制的状态。

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