igbt短路测试方法详解

---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，很恐怖；2.实施了短路测试，但测试比较简单，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)􀁛VCEsat检测桥臂间短路（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；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；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：Vge4.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，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，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。下图是同样的装置经过调整，达到了理想的实验结果。门极钳位（gateclamping）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。母线电压为2200V，实验结果显示，IGBT的电流峰值为13.36kA。CH1,2：VgeCH34：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。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。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；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。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.响应时间下图摘自某霍尔的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。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。深圳德意志工业分享！---专业-