IGBT短路测试方法详解.pdf

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1、.1 IGBT 短路测试方法详解 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，很恐惧；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展观察 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 桥臂间短路大电感短路 命名为“二类短路 相间短路或

2、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 一类短路测试的实施方法一：以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展短路。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的本卷须知：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影响测量的

3、结果，因此绝不可无视图中所示“粗短铜排的长短和粗细；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；.1 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，最开场实验可以使用 10us，然后逐步增加；8.环境温度对实验结果有较大的影响，通

4、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，是有必要进展测试的；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展评估，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 2030V，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 较平安；3.短路测试时，母线不宜过低，否则可能会见到

5、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*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展最初步的摸底；7.如果第一次 10us 测试

6、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 进展了保护，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 以下图为*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 中标注的值进展比较，是否过高，电流

7、是否有震荡；.1 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，这个条件是不可以妥协的；*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慎重，因为这个测试 di/dt 及 du/dt 都很大，门极探头很容易测不准*品牌 1500

8、A/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：以下图是另外一个 1700V 的 IGBT 的一类短路测试结果。这个 IGBT 的速度比较快，因此 Vce 开场先下降，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 其短路行为会有差异，不过本质是一样的。*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：I

9、c 存在问题的波形：以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。以下图是同样的装置经过调整，到达了理想的实验结果。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表达出来。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。.1 越大容量的 IGBT，米勒效应越强，门极钳

10、位电路越重要。差的门极钳位的结果：以下图为*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 进展门极钳位，如以下图示。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：在上页的根底上，完全一样的硬件设置，只是修改了门极钳位电路。用以下图所示的门极钳位电路。一类短路测试的实施方法二 以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。本卷须知

11、：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，轻易就能到达 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；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

12、，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*一数值的感量，然后观察其短路行为。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。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.1

13、以下图摘自*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，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到达 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 耐受得住。电流环的带宽对系统的奉献：在电力电子系统中，控制对象总是*个或者*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，并做出反响。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。德意志工业分享！