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对比不同功率器件的开关特性,如同一厂家不同器件的特性,或者不同厂家相同器件的特性;
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用于评估功率器件的驱动参数设置是否合理,如Rgon,Rgoff的阻值,VCEsat 检测的电压、时间设置是否合理,驱动波形是否正确,驱动能力是否足够;
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评估功率器件在实际应用中的表现,例如关断时的尖峰电压是否合适,是否需要增加吸收电容,续流二极管的反向恢复时间、电流是否合适;
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用以评估主回路拓扑的杂散电感,寻找功率模块的应用边界。
测量功率开关管(以下桥为测试对象):用高压隔离探头测量下管集-射极电压VCE、用罗氏线圈测量下管发射极电流Ic、用低压无隔离探头测量下管门极电压Vge。
测量上桥续流二极管:用高压隔离探头测量上管集-射极电压VCE 用罗氏线圈测量续流二极管正向电流If、用低压无隔离探头测量下管门极电压Vge。
t0时刻,下管门极发出第一个脉冲,下管的功率器件饱和导通,电感L承受母线电压,电感电流线性上升,其表达式为:
t1时刻,第一个脉冲关闭,下管功率器件关闭,此时Ic的大小由U、L、(t1-t0)决定,当U、L一定时, 由开通时间(t1-t0)决定,可以通过设置开通时间T1来设置电流大小。以650V,300A模块为例,选择母线电压为U=300V 电流Ic=300A,空心电感L=15uH,则第一个脉冲开通时间T为:15uS
t1时刻,第一个脉冲关闭,下管的功率器件关闭, 测试下管承受母线电压,上管续流二极管承受所有电感电流。此时能测试的参数有:关断延时td_off、下降时间tf、di/dt、dv/dt、母线电压VCE、拖尾电流、拖尾时间、关断损耗Eoff。
t2时刻,下管门极再次发出一个脉冲,下管的功率器件饱和导通,电感L承受母线电压,电感电流线性上升,下管功率器件不仅要承受电感电流,同时还要承受续流二极管的反向恢复电流;此时能测试的参数有:开通延时td on、上升时间tr、di/dt、dv/dt、开通峰值电流Ic、开通损耗Eon、拓扑杂散电感。
t2时刻重点观察IGBT的开通过程。在IGBT开通时,门极驱动开通电阻Rgon是很重要的一个影响因素,它可以影响di/dt的速度,反向恢复电流的峰值,决定了开通损耗。所以确定门极驱动开通电阻Rgon的最好办法就是通过双脉冲测试,动态调整参数,使得IGBT工作在最佳工作状态。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。
t3时刻关闭第二个脉冲,下管IGBT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,至此测试结束。
T3时刻重点观察IGBT关断过程,电压尖峰是重要的监控对象。它是直流母线杂散电感与di/dt的乘积,通过观察这个VCE的尖峰,可以评估IGBT在关断时刻的安全程度。VCE的尖峰一般是客观存在的,在短路或者过载时,这个尖峰会达到最高值,比正常工作时高的多,通常可以使用有源钳位电路进行抑制。
t2时刻,下管门极再次发出一个脉冲,下管的功率器件饱和导通,电感L承受母线电压,上管续流二极管发生反向恢复现象;此时能测试的参数有:反向恢复峰值电流IRM、反向恢复电荷Qr、反向恢复时间t_rr、反向恢复损耗Erec、反向恢复di/dt、dv/dt。
下图是整体的实测波形,以1200V-450A模块为例,测试条件Udclink=800V IC=735A t=15uS。
上图是IGBT开通时的波形,当门极电压达到门槛电压时,IGBT开通,IC开始增长,直到IC基本达到电感电流。此时上管IGBT的续流二极管处于反向恢复,我们需要关注的点是二极管反向恢复电流的di/dt,二极管反向恢复的峰值,反向恢复电流是否有震荡、拖尾有多长,VCE是否正确变化,测量出开通损耗(依托示波器math计算功能)。
通过测量计算可以得到开通过程中IC电流的di/dt和开通时VCE电压的抬升ΔU;可以通过如下公式计算得到环路上的杂散电感:
Ls=ΔU/di/dt=102/(307/42)=13.954
在双脉冲测试过程中,以下桥测试为例:当IGBT开通时,二极管反向恢复电流上升,直流母线上的杂散电感产生的电压与母线电压相抵;当IGBT关断时,反向恢复电流下降,直流母线上的杂散电感产生的电压与母线电压同向,电压叠加在二极管上,二极管出现电压尖峰,如果杂散电感比较大,二极管的风险加大更加危险,容易跑出安全工作区。二极管的电压尖峰是由杂散电感与反向恢复时电流的斜率相作用而产生的,故减小直流母线上铜排、板端的杂散电感及优化二极管反向恢复电流的斜率可以有效的提高二极管的安全裕量。
双脉冲测试适合研发阶段对器件在实际应用中动态性能的摸底,可以有效的评估驱动板设计的功能和性能,如短路保护、过流保护、过压保护等,获取IGBT 等功率器件在开通、关断过程的主要参数,以评估Rgon 及Rgoff 的数值是否合适,钳位、吸收是否需要增加,了解IGBT等功率器件在具体应用中更真实的表现。