CN104198906A - 一种用于igbt动态特性测量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子器件测量技术领域，尤其涉及一种用于IGBT动态特性测量的装置及方法。该装置主要包括：调压器、变压器、整流桥、母线电容、放电电阻、第一继电器、第二继电器、主控制板、副控制板、保护电路、IGBT功率模块、负载电感、电流传感器、屏蔽箱、示波器。首先闭合第一继电器，断开第二继电器，旋转调压器至待测电压后旋转至零并断开第一继电器；然后上电，示波器获取双脉冲信号、IGBT两端电压和集电极电流波形。本发明排除了不同信号间的串扰、空间磁场对测量信号的干扰等因素，能获得高精确度动态过程波形，对电压、电流信号的延迟、过冲具有很好的重现性；带抽头的负载电感使电路具有可调性，可用于不同器件的测量。

Description

一种用于IGBT动态特性测量的装置及方法

技术领域

本发明属于电力电子器件测量技术领域，尤其涉及一种用于绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，以下简称IGBT)动态特性测量的装置及方法。

背景技术

直流输电技术的进步和电力电子技术的发展，使得对电力电子器件的特性研究越来越重要。IGBT的特性研究包括静态特性研究和动态特性研究，静态特性往往由datasheet(数据表)可得出，而动态特性需人为测量得到。在目前国标及IEC(International Electro technical Commission，国际电工委员会)标准中，动态特性的测量均基于双脉冲测试。通过测量动态过程中的电压Vce、电流Ie波形来反映其动态特性，因此测试回路的设计和波形的精准化测量直接决定了所得动态过程的正确性。但是目前大多数双脉冲测试回路在设计时细节考虑不够、而且在测量环节也没有给出详细、标准的测量手段，对测量方法仅限于理论上的分析。因此，迫切需要一套适用于双脉冲测试的电路设计依据及电压电流波形规范化测量方案。

发明内容

针对上述问题，本发明设计了一种用于IGBT动态特性测量的装置及方法。

一种用于绝缘栅双极型晶体管动态特性测量的装置，主要包括：调压器、变压器、整流桥、母线电容、放电电阻、第一继电器、第二继电器、主控制板、副控制板、保护电路、IGBT功率模块、负载电感、电流传感器、屏蔽箱、示波器；

其中，调压器的输入端接入市电220V，调压器的输出端通过第一继电器与变压器的输入端相连；变压器的输出端与整流桥相连；整流桥的输出端与母线电容并联，整流桥输出的直流电用于对母线电容的充电；放电电阻通过第二继电器与母线电容并联，用于母线电容电压的放电；IGBT功率模块与母线电容并联；屏蔽箱为双层屏蔽箱，电流传感器置于屏蔽箱的第一层中，示波器置于屏蔽箱的第二层中，示波器及电流传感器与外电路的连线通过屏蔽箱中的引线口引入，在接好电路后用锡箔纸将屏蔽箱的引线口封住；示波器自带电压探头用于测量下IGBT管的集电极和发射极的两端电压、栅极触发信号以及发射极端电流。

所述IGBT功率模块包括上IGBT管和下IGBT管；其中上IGBT管和下IGBT管串联，上IGBT管的发射极和下IGBT管的集电极相连，上IGBT管的集电极和下IGBT管的发射极分别和母线电容的两端相连；IGBT功率模块依次通过保护电路、副控制板和主控制板相连；主控制板是以DSP为核心控制器件，通过光电耦合器件输出0～15V的控制信号到副控制板；副控制板是以Eice DRIVER驱动芯片为核心器件，将控制信号转化为±15V的IGBT驱动信号，并通过保护电路来控制IGBT功率模块；上IGBT管始终处于关断状态。

所述保护电路分为六个输入端：C1输入端、G1输入端、E1输入端、C2输入端、G2输入端、E2输入端和五个输出端：A1输出端、A2输出端、A3输出端、A4输出端、A5输出端；

其中，C1输入端通过两个串联的D2正向二极管、D1正向二极管和A1输出端相连；

G1输入端分别通过两路并联的电路和A2输出端相连，其中一路电路由一个D8反向二极管和一个R1电阻串联所组成，另外一路由一个D7正向二极管和一个R2电阻串联所组成；

E1输入端和A3输出端相连，并且A2输出端和A3输出端之间并联一个D3双向瞬态抑制二极管和一个R5电阻；

C2输入端通过两个串联的D4正向二极管、D5正向二极管和A3输出端相连；

G2输入端分别通过两路并联的电路和A4输出端相连，其中一路电路由一个D10反向二极管和一个R3电阻串联所组成，另外一路由一个D9正向二极管和一个R4电阻串联所组成；

E2输入端和A5输出端相连，并且A4输出端和A5输出端之间并联一个D6双向瞬态抑制二极管和一个R6电阻；

C1输入端、G1输入端、E1输入端、C2输入端、G2输入端、E2输入端分别和副控制板上的饱和度检测输入驱动器通道A、栅极驱动器输出通道A、公共地接线端通道A、饱和度检测输入驱动器通道B、栅极驱动器输出通道B、公共地接线端通道B相连；

A1输出端、A2输出端、A3输出端、A4输出端、A5输出端分别和IGBT功率模块中的上IGBT管集电极、上IGBT管栅极、上IGBT管发射极和下IGBT管集电极连接点、下IGBT管栅极、下IGBT管发射极相连；保护电路对于IGBT功率模块起到过流、过压保护以及保护栅极电阻、释放栅极电荷的作用。

所述电流传感器为PEARSON线圈，待测的发射极电流的导线在PEARSON线圈中的走向保持正中间垂直穿过，PEARSONG线圈的输出端与示波器相连，用于测量下IGBT管的发射极电流。

所述负载电感与上IGBT管并联，负载电感起到充电作用，使得下IGBT管电流在导通时电流升高到待测电流值；要求第二次导通时负载电感电流不得低于第一次关断时的95％，即其中，τ＝L/(R₀+R₁)，i₁为第一次关断时负载电感电流，i₂为第二次导通时负载电感电流，则负载电感值L为：L≥20(R₀+R₁)t，其中，R₀为二极管正向导通电阻，R₁为负载电感直流电阻，t为两次脉冲间的间隔时间；负载电感为带抽头的大电抗器，使得测试回路适用于多个电压等级的IGBT测试。

所述母线电容由单体电容串联，串联个数为待测电压等级除以单体电容电压；根据LC电路振荡周期公式得：母线电容值其中，L为负载电感值，T₀为电路振荡周期，由于一般双脉冲宽度为us级，则电路振荡周期T₀为ms级，以保证双脉冲内每次IGBT导通时，负载电感的电流呈线性增加。

一种用于绝缘栅双极型晶体管动态特性测量的方法，主要包括：

步骤1、将测量下IGBT管栅极双脉冲信号的电压探头、测量下IGBT管集电极和发射极的两端电压的电压探头和测量集电极电流的PEARSON线圈输出端接到示波器，用锡箔纸将屏蔽箱的引线口封住，将屏蔽箱的屏蔽盖盖上；

步骤2、闭合第一继电器，断开第二继电器，慢慢旋转调压器输出电压对母线电容进行充电，用万用表测量母线电容两端电压，待母线电容两端电压调至待测电压后，将调压器旋转至零并断开第一继电器；

步骤3、给IGBT功率模块供电，主控制板产生双脉冲信号，经过副控制板、保护电路输出到下IGBT管，上IGBT管始终关断，示波器选择single触发模式，获取双脉冲信号、IGBT两端电压、集电极电流信号波形；

步骤4、获取波形后，闭合第二继电器，对母线电容进行放电，放电完毕后断开第二继电器。

本发明的有益效果在于：采用上述技术方案，排除了不同信号间的串扰、空间磁场对测量信号的干扰等因素，可以获得精确度特别高的动态过程波形，对电压、电流信号的延迟、过冲具有很好的重现性。采用带有抽头的负载电感，使得测量回路具有可调性，可广泛用于不同器件的测量中。

附图说明

图1为本发明电路示意图；

图2为PEARSON线圈布线及示波器放置图；

图3为保护电路与IGBT功率模块连接图；

图4为下IGBT管触发双脉冲信号；

图5为示波器采集的一次双脉冲测试的电压电流波形；

图6为一次关断过程中的双脉冲信号、下IGBT管电压、电流信号的放大波形；

图7为一次开通过程中的双脉冲信号、下IGBT管电压、电流信号的放大波形。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。本发明提出一种用于绝缘栅双极型晶体管动态特性测量的装置，如图1和图2所示，主要包括：调压器、变压器、整流桥、母线电容、放电电阻、第一继电器、第二继电器、IGBT功率模块、保护电路、负载电感、电流传感器、屏蔽箱、示波器；

其中，调压器的输入端接入市电220V，调压器的输出端通过第一继电器与变压器的输入端相连；变压器的输出端与整流桥相连；整流桥的输出端与母线电容并联，整流桥输出的直流电用于对母线电容的充电；放电电阻通过第二继电器与母线电容并联，用于母线电容电压的放电；IGBT功率模块与母线电容并联；屏蔽箱为双层屏蔽箱，电流传感器置于屏蔽箱的第一层中，示波器置于屏蔽箱的第二层中，示波器及电流传感器与外电路的连线通过屏蔽箱中的引线口引入，在接好电路后用锡箔纸将屏蔽箱的引线口封住；示波器自带电压探头用于测量下IGBT管的集电极和发射极的两端电压、栅极触发信号以及发射极端电流。

图2为导线在PEARSON线圈中的穿过布线及示波器布置示意图。为了获得更准确的电流波形，需要考虑负载电感对电流探头、示波器的空间磁场干扰，图2中双层屏蔽箱用于屏蔽外电路，特别是屏蔽负载电感对PEARSON线圈和示波器的磁场干扰。PEARSON线圈置于屏蔽箱的第一层中，示波器置于屏蔽箱的第二层中，示波器及PEARSON线圈与外电路的连线通过屏蔽箱中的引线口引入，在接好电路后，用锡箔纸将屏蔽箱的引线口封住。

导线在PEARSON线圈中的布线按图2所示，从正中间垂直穿过。之所以要保持导线走向从线圈正中间穿过是因为实际制作中很难满足电流测量线圈绕制均匀、截面均匀和线圈的互感系数长期不变等条件；而使导线与测量线圈垂直是由于当测量过程中导线与线圈所在平面不垂直时，仅有垂直于线圈平面方向的电流产生磁链，而平行于线圈平面方向的电流将不产生磁链，这会使得测试电流存在误差，故需保证垂直穿过。

IGBT功率模块包括上IGBT管和下IGBT管；其中上IGBT管和下IGBT管串联，上IGBT管的发射极和下IGBT管的集电极相连，上IGBT管的集电极和下IGBT管的发射极分别和母线电容的两端相连；IGBT功率模块依次通过保护电路、副控制板和主控制板相连；主控制板是以型号为TMS320F28335PGFA的DSP为核心控制器件，通过光电耦合器件输出0～15V的控制信号到副控制板；副控制板是以型号为2ED300C17-ST的Eice DRIVER驱动芯片为核心器件，将控制信号转化为±15V的IGBT驱动信号，并通过保护电路来控制IGBT功率模块；上IGBT管始终处于关断状态。

本实施例中IGBT功率模块采用英飞凌的FF450R17IE4。该型号IGBT额定电压为1700V，额定电流为450A。双脉冲信号的占空比为71.4％，周期为70μs。电压选型按照常用电压测试范围设计，即为20％额定电压-80％额定电压，即：340V-1360V。所选电容为EPCOS公司的B43310-A5828-M系列，单体额定电压为450V，为达到测试最高电压，选择3个单体电容相串联。负载电感选型为1.5mH、115A空心电感，此负载电感的直流电阻为0.019Ω，二极管的正向导通电阻为0.003Ω。负载电感与母线电容形成的振荡回路频率 $f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{1.5\×{10}^{-3}\×2733\×{10}^{-6}}}=78.6\mathrm{Hz},$ 谐振周期T₀＝12.72ms，远大于脉冲宽度，保证了负载电感的电流呈线性上升，则负载电感与反并联二极管形成的放电回路时间常数为τ₁＝1.5×10^-3/(0.019+0.003)＝68ms，第二次导通时负载电感电流为：负载电感电流基本不会下降。

由于IGBT的耐压能力和耐流能力较差，一旦发生意外就容易损坏，因此在其驱动板和实际IGBT模块相连时，需要插入保护电路，保护电路主要起到过压和过流保护的作用。对IGBT模块上面的PCB板进行分析，并转化成实际电路，如图3所示。

下面对图3中各元器件的主要参数、起到的作用和设计时出发点做说明。

保护电路中的D1、D2、D4、D5四个二极管采用的型号是UF4007，此型号二极管的正向峰值电压为1.7V，反向恢复时间为70ns。起到的主要作用是过流保护。IGBT的过流保护的电流检测是利用其在某一正向栅压U_ge下，正向导通管压降U_ce(ON)与集电极电流Ie成正比的特性，通过检测U_ce(ON)的大小来判断I_e的大小，从而起到过流保护的作用。一般的驱动模块设定的过流保护的电压临界值为7-10V，两个二极管串联时，二极管的压降(1.7*2＝3.4V)和IGBT通态饱和压降之和才能大于过流保护设定的临界值，从而发生过流保护，保护IGBT。

保护电路中的栅极电阻R1、R2、R3、R4的阻值均为6.2Ω。IGBT在由导通状态关断时，电流I_c突然变小，由于电路中的杂散电感与负载电感的作用，将在IGBT的c、e两端产生很高的浪涌尖峰电压，加之IGBT的耐过压能力较差，这样就会使IGBT击穿，因此，其过压保护也是十分重要的。

适当增大栅极电阻R_g可以很好地实现IGBT的过压保护。R_g增大，使IGBT的开关速度减慢，能明显减少开关过电压尖峰，但相应的增加了开关损耗，使IGBT发热增多，要配合进行过热保护。在实际中，R_g阻值的选择原则是：在开关损耗不太大的情况下，尽可能选用较大的电阻，实际工作中按R_g＝3000/I_c选取。根据本实施例中所选IGBT功率模块计算有3000/450＝6.7Ω，在实际中选择了6.2Ω。

另外，在实际设计中，也可采用其他设计方法来实现IGBT的过压保护。一种是尽可能减少电路中的杂散电感。一方面可优化模块内部结构(如采用分层电路、缩小有效回路面积等)，减少寄生电感；另一方面可优化主电路结构(采用分层布线、尽量缩短联接线等)，减少杂散电感。另一种是采用额外的吸收回路。在IGBT关断时，吸收回路可以吸收电感中释放的能量，以降低关断过电压。

保护电路中D7、D8、D9、D10型号为IN5819的肖特基二极管，是一种低功耗、高频性能好、正向压降低的二极管。主要用在开关电源及高频低压场合。模块中采用此四个二极管和栅极电阻相连主要是考虑到电流变化的频率，起到保护栅极电阻的作用。

保护电路中的R5、R6阻值为4.7kΩ。虽然前述的R1、R2、R3、R4已经起到的过压保护的作用，但是IGBT在实际运行中，栅极上会存在电荷的不断累积。R5、R6可以使栅极积累电荷泄放，从而起到防止栅极电荷积累、栅源电压出现尖峰损坏IGBT。在实际设计中，往往取经验阻值4.7kΩ。

保护电路中的D3、D6型号为P6KE160A的双极性TVS。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10-12毫秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电路中的元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏，防止栅源电压尖峰损坏IGBT。

一种基于绝缘栅双极型晶体管动态特性测量装置的测量方法，包括：

步骤1、将测量下IGBT管栅极双脉冲信号的电压探头、测量下IGBT管集电极和发射极的两端电压的电压探头和测量集电极电流的PEARSON线圈输出端接到示波器，用锡箔纸将屏蔽箱的引线口封住，将屏蔽箱的屏蔽盖盖上；

步骤2、闭合第一继电器，断开第二继电器，慢慢旋转调压器输出电压对母线电容进行充电，用万用表测量母线电容两端电压，待母线电容两端电压调至待测电压后，将调压器旋转至零并断开第一继电器；

步骤3、给IGBT功率模块供电，主控制板产生双脉冲信号，经过副控制板、保护电路输出到下IGBT管，上IGBT管始终关断，示波器选择single触发模式，获取双脉冲信号、IGBT两端电压、集电极电流信号波形；

步骤4、获取波形后，闭合第二继电器，对母线电容进行放电，放电完毕后断开第二继电器。

图4是实际实施例采用的双脉冲信号，占空比为71.4％，周期为70μs。图5、6、7为通过示波器获取的实验波形，将示波器波形存为数据，然后经笔记本电脑重现波形。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于绝缘栅双极型晶体管动态特性测量的装置，其特征在于，主要包括：调压器、变压器、整流桥、母线电容、放电电阻、第一继电器、第二继电器、主控制板、副控制板、保护电路、IGBT功率模块、负载电感、电流传感器、屏蔽箱、示波器；

其中，调压器的输入端接入市电220V，调压器的输出端通过第一继电器与变压器的输入端相连；变压器的输出端与整流桥相连；整流桥的输出端与母线电容并联，整流桥输出的直流电用于对母线电容的充电；放电电阻通过第二继电器与母线电容并联，用于母线电容电压的放电；IGBT功率模块与母线电容并联；屏蔽箱为双层屏蔽箱，电流传感器置于屏蔽箱的第一层中，示波器置于屏蔽箱的第二层中，示波器及电流传感器与外电路的连线通过屏蔽箱中的引线口引入，在接好电路后用锡箔纸将屏蔽箱的引线口封住；示波器自带电压探头用于测量下IGBT管的集电极和发射极的两端电压、栅极触发信号以及发射极端电流。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述IGBT功率模块包括上IGBT管和下IGBT管；其中上IGBT管和下IGBT管串联，上IGBT管的发射极和下IGBT管的集电极相连，上IGBT管的集电极和下IGBT管的发射极分别和母线电容的两端相连；IGBT功率模块依次通过保护电路、副控制板和主控制板相连；主控制板是以DSP为核心控制器件，通过光电耦合器件输出0～15V的控制信号到副控制板；副控制板是以Eice DRIVER驱动芯片为核心器件，将控制信号转化为±15V的IGBT驱动信号，并通过保护电路来控制IGBT功率模块；上IGBT管始终处于关断状态。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述保护电路分为六个输入端：C1输入端、G1输入端、E1输入端、C2输入端、G2输入端、E2输入端和五个输出端：A1输出端、A2输出端、A3输出端、A4输出端、A5输出端；

其中，C1输入端通过两个串联的D2正向二极管、D1正向二极管和A1输出端相连；

G1输入端分别通过两路并联的电路和A2输出端相连，其中一路电路由一个D8反向二极管和一个R1电阻串联所组成，另外一路由一个D7正向二极管和一个R2电阻串联所组成；

E1输入端和A3输出端相连，并且A2输出端和A3输出端之间并联一个D3双向瞬态抑制二极管和一个R5电阻；

C2输入端通过两个串联的D4正向二极管、D5正向二极管和A3输出端相连；

G2输入端分别通过两路并联的电路和A4输出端相连，其中一路电路由一个D10反向二极管和一个R3电阻串联所组成，另外一路由一个D9正向二极管和一个R4电阻串联所组成；

E2输入端和A5输出端相连，并且A4输出端和A5输出端之间并联一个D6双向瞬态抑制二极管和一个R6电阻；

C1输入端、G1输入端、E1输入端、C2输入端、G2输入端、E2输入端分别和副控制板上的饱和度检测输入驱动器通道A、栅极驱动器输出通道A、公共地接线端通道A、饱和度检测输入驱动器通道B、栅极驱动器输出通道B、公共地接线端通道B相连；

A1输出端、A2输出端、A3输出端、A4输出端、A5输出端分别和IGBT功率模块中的上IGBT管集电极、上IGBT管栅极、上IGBT管发射极和下IGBT管集电极连接点、下IGBT管栅极、下IGBT管发射极相连；保护电路对于IGBT功率模块起到过流、过压保护以及保护栅极电阻、释放栅极电荷的作用。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流传感器为PEARSON线圈，待测的发射极电流的导线在PEARSON线圈中的走向保持正中间垂直穿过，PEARSONG线圈的输出端与示波器相连，用于测量下IGBT管的发射极电流。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述负载电感与上IGBT管并联，负载电感起到充电作用，使得下IGBT管电流在导通时电流升高到待测电流值；要求第二次导通时负载电感电流不得低于第一次关断时的95％，即其中，τ＝L/(R₀+R₁)，i₁为第一次关断时负载电感电流，i₂为第二次导通时负载电感电流，则负载电感值L为：L≥20(R₀+R₁)t，其中，R₀为二极管正向导通电阻，R₁为负载电感直流电阻，t为两次脉冲间的间隔时间；负载电感为带抽头的大电抗器，使得测试回路适用于多个电压等级的IGBT测试。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述母线电容由单体电容串联，串联个数为待测电压等级除以单体电容电压；根据LC电路振荡周期公式得：母线电容值其中，L为负载电感值，T₀为电路振荡周期，由于一般双脉冲宽度为us级，则电路振荡周期T₀为ms级，以保证双脉冲内每次IGBT导通时，负载电感的电流呈线性增加。

7.一种基于权利要求1所述装置的绝缘栅双极型晶体管动态特性测量方法，其特征在于，主要包括：

步骤1、将测量下IGBT管栅极双脉冲信号的电压探头、测量下IGBT管集电极和发射极的两端电压的电压探头和测量集电极电流的PEARSON线圈输出端接到示波器，用锡箔纸将屏蔽箱的引线口封住，将屏蔽箱的屏蔽盖盖上；

步骤2、闭合第一继电器，断开第二继电器，慢慢旋转调压器输出电压对母线电容进行充电，用万用表测量母线电容两端电压，待母线电容两端电压调至待测电压后，将调压器旋转至零并断开第一继电器；

步骤3、给IGBT功率模块供电，主控制板产生双脉冲信号，经过副控制板、保护电路输出到下IGBT管，上IGBT管始终关断，示波器选择single触发模式，获取双脉冲信号、IGBT两端电压、集电极电流信号波形；

步骤4、获取波形后，闭合第二继电器，对母线电容进行放电，放电完毕后断开第二继电器。