一種利用雙脈衝技術測試IGBT動態開關特性的測試方法及裝置與流程

2023-07-03 01:58:11 3

本發明涉及一種對絕緣柵雙極電晶體(IGBT)動態開關特性參數的快速測量方法及裝置，具體地說，涉及對處於額定工作狀態下，高耐壓高功率的IGBT(以1200V，150A為例)的驅動端輸入雙脈衝信號實現IGBT快速關斷和導通，再使用排除電力幹擾的測量系統對IGBT的動態特性(上升下降時間，上升下降延遲時間，開關能量)進行測量。本測試系統基於雙脈衝技術，對IGBT的驅動電路進行了優化，採用單片機編程輸出信號搭配IGBT驅動板對輸出信號隔離並升壓實現對IGBT的開啟和關斷。對於測試主電路則對DBC基板鍍銅形成銅板以形成測試主電路的迴路。本系統可以測試耐壓值最大3300V的IGBT的動態開關特性，屬於電力測試領域的創新型技術。

背景技術：

雙脈衝測試技術作為一種測試IGBT動態特性的技術，可以在短時間內清晰反映出IGBT的動態開關性能，其測試方法簡單、波形顯示清晰，動態參數的計算方法方便。雙脈衝測試技術利用使IGBT開啟和關斷的幅值電壓(+15V/-8V)，和特定的脈衝時間實現對IGBT額定工作過程中開關動態性能的測試。測試的IGBT為兩個IGBT串聯的半橋模塊，IGBT低電位側的開關由單片機發出雙脈衝信號經由IGBT驅動板隔離放大後控制開斷，而在IGBT高電位側並聯著一個電感。當單片機給低電位側IGBT(被測IGBT)的柵極和發射極之間加上正向脈衝時，並聯在IGBT模塊高電位側開關的電感逐漸充電，直到集電極電流到達100％的測試電流。接著IGBT迅速關斷，電感通過並聯在高電位側IGBT的續流二極體放電，然後IGBT又迅速地恢復導通。在這個過程中，IGBT導通和關斷的特性可以用上升時間(tr)，下降時間(tf)，導通損失(Eon)，關斷損失(Eoff)，導通延遲時間(td on)，關斷延遲時間(td off)和總能量損失(Etot)等開關特性來表徵。傳統的雙脈衝測試系統所測試的IGBT模塊耐壓值較小，但隨著IGBT製造工藝技術的不斷發展，現在IGBT的耐壓值越來越大，所以我們需要能夠測試高耐壓值的IGBT的動態開關測試系統。傳統的測試系統中示波器受到主電路的幹擾非常大，導致測試波形會隨著脈衝的發出出現相應的畸變，實驗波形圖受到影響，測試結果的誤差非常大，所以我們需要一種優秀的隔離技術。傳統的測試系統不能根據測試情況適時對雙脈衝波形寬度進行調整，不好及時應對實驗中不同測試器件和電感參數的變化，我們需要隨時可調的雙脈衝寬度。

本發明以雙脈衝測試技術為基礎，利用可編程的單片機發出可以在測試時隨時調整脈衝雙脈衝信號，並通過電磁屏蔽，隔離變壓器和差分隔離探頭對主電路和測試電路進行隔離，減少主電路高壓脈衝對測試波形的幹擾。主電路採用鍍銅的DBC基板連通，進一步減少主電路內寄生參數大小。

技術實現要素：

本發明主要解決高耐壓高功率IGBT模塊的動態開關特性參數的測試問題。採用最大電壓為2000V的線性穩壓穩流電源和4個1200V，270uF的薄膜電容器並聯提供IGBT主電路測試電源，主電路測試電源與0.21mH的電感器，MMG100SR120B的測試模塊，0.00967Ω的採樣電阻簡單串聯形成主電路。驅動電路則由單片機輸出信號，IGBT驅動板，雙通道小電源簡單構成；雙通道小電源的5V埠，15V埠，負極埠和單片機的輸出埠連接在IGBT驅動板的左端，IGBT驅動板的右端則連著MMG100SR120B的測試模塊G端和E端。示波器電路則由高壓差分隔離探頭，分別連接在測試模塊的G、E兩端，C、E兩端，以及採樣電阻兩端。為測量IGBT動態開關特性參數，提供了一個操作簡單，測試時間短，且安全可靠，測試精度較好的測試平臺。

本發明方法通過以下技術方案實現。

一種利用雙脈衝技術測試IGBT動態開關特性的測試方法及裝置；利用單片機發出雙脈衝信號，第一個脈衝使得測試IGBT達到額定工作電流，第二個脈衝用於測試IGBT的動態特性，利用示波器和差分隔離探頭測試開關時IGBT的動態電壓和電流參數。

通過單片機發出的雙脈衝信號進過IGBT驅動板進而實現控制IGBT在極短的時間內開斷，通過隔離變壓器將實驗電路和測試電路隔離避免信號相互幹擾；利用接隔離變壓器的示波器和差分隔離探頭對主電路的電流和IGBT兩端電壓已經驅動電路輸出端的電壓進行測量，由示波器記錄下波形圖；根據上升下降時間，延遲時間，開關能量計算出這些IGBT動態開關特性參數的大小。

本發明的IGBT的動態開關特性測試步驟如下：

(1)確定電路接線的電容器，IGBT模塊各埠之間沒有壓差；

(2)將高壓直流電源三角插頭插上，保證電源地線接地，示波器地線接地；

(3)將不測試的IGBT觸發段的GE之間短接；

(4)將示波器調整到採集信號狀態，打開雙通道電源供應IGBT驅動板5V和15V的直流電，讓單片機觸發一次5V脈衝信號，觀察雙脈衝波形是否能在示波器測量通道CH1中被採集到；

(5)打開高壓電源，將電壓升高到600V，從通道CH2中看到母線電壓的變化情況；

(6)將示波器再次調整到採集狀態，將三個通道CH1，CH2，CH3都打開；使用單片機觸發一次雙脈衝信號；

(7)記錄示波器的波形；

(8)將高壓電源電壓緩緩下降到0V，關閉高壓電源並且關閉雙通道電源；

(9)檢驗電容組，IGBT模塊各埠之間沒有壓差。

測試1200V的IGBT時，測試電壓為600V。

單片機發出的第一個脈衝寬度優選為36us，第二個脈衝寬度優選為10us。

為了實現以上方法，發明了IGBT雙脈衝測試裝置。該裝置可以實現對大功率IGBT動態性能的測試。該裝置由線性高壓直流電源和耐高壓的電容母排作為測試電路輸入端，5V和12V的兩個直流電源以及單片機輸出的5V脈衝信號作為驅動電路的輸入端。兩個IGBT通過半橋電路連接，電感與高壓側IGBT並聯用於控制電流。測量端由差分隔離表筆接示波器測出。

本發明的優點：

(1)本發明創造性地利用了鍍銅的DBC基板作為雙脈衝測試主電路的電路接線板，有效地降低了測試電路中的寄生參數，使得測試精度、安全性提高。

(2)本發明使用可編程單片機作為信號發生源，設計的程序可以在實驗中隨時根據情況調節脈衝寬度，分度值為1us。這種設計能很好地對實驗不同狀況做出調整，使得測試的IGBT工作在額定電流下，測試的IGBT動態開關特性參數就會更加準確。

(3)本發明對驅動電路和主電路採用BG2C-IGBT通用驅動板進行隔離，對主電路和示波器電路採用隔離變壓器和高壓差分隔離探頭雙重方式進行隔離。使得測試波形圖幹擾，振蕩小，測試結果更加準確。

附圖說明

圖1為本案例所搭建實驗裝置電路圖。

圖2本方法案例所搭建實驗裝置系統圖。

圖3為本方法案例所搭建實驗裝置部件連接示意圖。

圖4為本方法案例所用鍍銅DBC基板電路圖。

圖5為本實驗測試電壓電流參數波形圖。

圖6a為放大後IGBT開通時電壓UGE和電流IC波形圖。

圖6b為放大後IGBT關斷時電壓UGE和電流IC波形圖。

圖7a為放大後IGBT開通時電壓UCE和電流IC波形圖。

圖7b為放大後IGBT關斷時電壓UCE和電流IC波形圖。

圖8a為IGBT開通時開關能量圖。

圖8b為IGBT關斷時開關能量圖。

具體實施方式

本發明提供了一種基於雙脈衝技術的IGBT動態開關特性測試的裝置。整套裝置包括一臺最大值為2000V的TN-XXZ02的精密線性穩壓穩流電源，4個270uF，耐壓值1200V，CORNELL DUBILIER公司生產型號為947C271K122CCMS的薄膜電容器，一塊表面鍍銅的DBC基板，一個0.21mH的電感器，一個IGBT測試模塊MMG100SR120B，一個0.00967Ω的採樣電阻，一塊BG2C-IGBT通用驅動板，一個雙通道電源(+5V，+15V)一個泰克示波器，兩個泰克高壓差分隔離探頭，一個普通探頭線和一個大的有機玻璃箱。

以IGBT模塊MMG100SR120B為測試用模塊，利用雙脈衝技術及上文給出的測試裝置實現對IGBT模塊動態開關特性的參數測量。其中所涉及的採樣電阻由維吉尼亞理大學陸國權教授提供，鍍銅的DBC基板由天津大學材料學院電子封裝實驗室設計加工。所述IGBT動態開關特性測試裝置的具體說明如下：

1、所述雙脈衝技術及IGBT動態開關特性測試裝置

(1)IGBT動態開關特性測試裝置採用雙脈衝技術，IGBT動態開關特性測試的實驗電路圖如圖1所示。當單片機通過IGBT驅動板發出第一個脈衝信號時，測試IGBT開通，IGBT上的電壓瞬間下降，由於主電路電感的作用，主電路電流不斷上升。第一個脈衝結束後，IGBT關斷，IGBT上電壓瞬間增大到電源電壓，電流通過續流二極體放電而幾乎保持不變，此時的主電路電流已經達到了測試所需的額定電流。第二個脈衝開始，IGBT開通，IGBT上電壓再次下降，主電路電流再次上升，此時觀察記錄下IGBT上的電壓瞬間變化波形和電流瞬間變化波形可求出IGBT開通時動態特性參數。第二個脈衝結束時，IGBT再次關斷，電壓瞬間上升至電源電壓，而主電路電流則很快降到0。

(2)IGBT動態開關特性測試的系統圖，如圖2所示，分為主電路和驅動電路。驅動電路主要由單片機,雙驅動通道直流電源和IGBT驅動板構成，用以產生開關IGBT所需的脈衝電壓。主電路圖則是標準的IGBT雙脈衝測試電路圖的半橋電路。通過短接一端的IGBT來測試另外一端IGBT開關時的動態特性參數。

2、所述IGBT動態開關特性測試具體步驟如下：

(1)檢查電路接線是否正確，用萬用表直流電壓檔檢查電容器，IGBT模塊各埠之間有沒有殘存的電壓(儀器放置在有機玻璃裡時間久了可能後感應出靜)，如果存在壓差，請務必用導線將其釋放。

(2)將高壓直流電源三角插頭插上，保證電源地線接地，示波器地線接地。

(3)將不測試的IGBT觸發段的GE之間短接。

(4)將示波器調整到採集信號狀態，打開雙通道電源供應IGBT驅動板5V和15V的直流電，讓單片機觸發一次5V脈衝信號，觀察雙脈衝波形是否能在示波器測量通道CH1中被採集到。

(5)打開高壓電源，將電壓緩慢升高到600V(此時可以看到從通道CH2中看到母線電壓的變化情況)。

(6)將示波器再次調整到採集狀態，將三個通道CH1，CH2，CH3都打開。使用單片機觸發一次雙脈衝信號。

(7)觀察分析示波器的波形。

(8)將高壓電源電壓緩緩下降到0V，並等待一段時間，關閉高壓電源並且關閉雙通道電源。

(9)檢驗電容組，IGBT模塊還有沒有殘留電壓，如果有需要用導線放乾淨。

主電路測試優選600V(測試1200V的IGBT)。單片機發出的第一個脈衝寬度優選為36us，第二個脈衝寬度優選為10us。

在實驗前需要對實驗儀器進行靜電檢查，操作時需戴上防靜電手環。實驗產生的脈衝強度較大，EMC的影響不可忽略，因此在主電路電感器和單片機上裹上金屬膠帶進行電磁屏蔽，電磁屏蔽的金屬外殼連線一定要接觸充分，並且接地。鍍銅的DBC基板線路之間的間隙為5mm如圖4所示，預留出充分大的間隙以免出現火花。

實驗測試在主電路電壓為600V，即IGBT模塊最大耐壓值的一半時，使用示波器測得的IGBT開關時的驅動電路輸出電壓UGE，IGBT兩端電壓UCE以及集電極電流IC，如圖5所示。通過放大第二個脈衝開啟和關斷瞬間的波形，如圖6，圖7，圖8所示，可以清晰地觀察到IGBT開關時參數的動態變化，結合這些參數的定義，可以較為精確地計算出IGBT模塊的上升下降時間，上升下降延遲時間，開關能量等參數。

本發明公布的這種採用雙脈衝技術搭建的IGBT動態開關特性測試裝置能夠簡潔地獲取IGBT輸出電壓UGE，IGBT兩端電壓UCE以及集電極電流IC隨時間變化的波形。將實驗所得波形和參數與IGBT datasheet上的相應參數比較，誤差較小，並且實驗波形和理論波形基本一致，電壓參數UGE,UCE和電流參數IC的大小變化情況也與理論計算所得的情形接近。令人關注的IGBT動態特性參數td on,td off,tr,tf同樣與datasheet上一致，反映出總下降時間比總上升時間大的特性。實驗測得的開關能量Eon和Eoff也和datasheet上在同一個範圍內。實驗電路各個連接點在實驗時比較穩定，在高壓，大電流下並沒有出現火星，熔斷，短路等異常情況。並且實驗重複多次，測得的參數都在一個範圍內。本發明的測試裝置具有安全性和可操作性，可以實現對IGBT動態特性的實驗測量並且實驗迅速，工藝簡單。