CN107765160A - 一种igbt器件的测试电路及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种IGBT器件的测试电路及测试方法，其中，测试电路包括电流源(1)、电感(2)、第一开关(3)、第一电压源(4)、待测IGBT器件(5)、第一吸收电路(6)和过电压限制装置(7)，其中：电流源(1)的正极通过电感(2)连接第一开关(3)的一端，第一开关(3)另一端连接待测IGBT器件(5)的集电极；第一电压源(4)的正极连接待测IGBT器件(5)的栅极，第一电压源(4)的负极连接电流源(1)的负极；待测IGBT器件(5)的发射极连接电流源(1)的负极；第一吸收电路(6)与过电压限制装置(7)并联在待测IGBT器件(5)的集电极和发射极之间。这种IGBT器件的测试电路所需要的测试设备成本低、体积小及测试操作可靠性高。

Description

一种IGBT器件的测试电路及测试方法
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种IGBT器件的测试电路及测试方法。
背景技术
“一代器件决定一代电力电子技术”，晶闸管的问世带来直流产业的蓬勃发展，自上个世纪90年代由于绝缘栅双极性晶体管(Isolated Gate Bipolar Transistor，IGBT)的出现，电力电子产业进入了全控器件时代。不同于电动汽车、工业变频和机车牵引等领域，在电力系统中，高电压大功率IGBT器件需求量正日益增长，因此，高压大功率IGBT器件测试设备的需求也与日俱增。
在诸如柔性直流输电设备直流断路器中，IGBT需要可靠承受并分断数倍于额定电流的超大电流，同时关断后还要承受高电压；在换流阀中，当发生系统故障后，IGBT也需要分断相当大的电流，并承受高压。随着IGBT电流电压等级的不断提升，IGBT需要关断的电流也成几何级数增长，因此，测试这种IGBT器件的高电压大电流关断能力就成为器件测试的一个重大难题。测试设备如果想同时产生大电流和高电压，需要有大功率电源和储能电容，因此，简单的使用电源和电容产生测试大功率IGBT的所需的上万安电流和几千伏高压，设备成本高、体积大，操作可靠性低。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的大功率IGBT测试电路所需测试设备成本高、体积大及操作可靠性低至少之一的缺陷。
为此，本发明提供一种IGBT器件的测试电路，包括电流源、电感、第一开关、第一电压源、待测IGBT器件、第一吸收电路和过电压限制装置，其中：所述电流源的正极通过所述电感连接所述第一开关的一端，所述第一开关另一端连接所述待测IGBT器件的集电极；所述第一电压源的正极连接所述待测IGBT器件的栅极，所述第一电压源的负极连接所述电流源的负极；所述待测IGBT器件的发射极连接所述电流源的负极；所述第一吸收电路与所述过电压限制装置并联在所述待测IGBT器件的集电极和发射极之间。
可选地，所述过电压限制装置为避雷器组。
可选地，所述避雷器组包括若干不同电压等级的避雷器支路，每一个所述避雷器支路均包括相互串联的第二开关和避雷器。
可选地，还包括第二吸收电路，所述第二吸收电路与所述第一开关并联。
可选地，所述第一开关包括保护器件和所述保护器件的控制器件。
可选地，所述保护器件为保护IGBT，所述控制器件为第二电压源，其中，所述保护IGBT的栅极连接所述第二电压源的正极，所述保护IGBT的集电极连接所述电感，所述保护IGBT的发射极连接所述待测IGBT器件的集电极和所述第二电压源的负极。
可选地，所述保护器件中的保护IGBT设置有多个且并联连接。
可选地,所述第一吸收电路或所述第二吸收电路包括二极管、电阻和电容，其中，所述二极管和所述电阻并联后与所述电容串联。
可选地，所述电流源为低压电流源。
本发明还提供一种IGBT器件的测试方法，包括以下步骤：导通第一开关和待测IGBT器件；所述电流源根据预设波形输出输出电流，所述输出电流在第一时刻达到预设电流值，关断所述待测IGBT器件。
可选地，所述导通第一开关和待测IGBT器件的步骤之前，还包括：根据待测IGBT器件的电压等级确定过电压限制装置中的避雷器支路，闭合相应避雷器支路上的第二开关。
可选地，所述待测IGBT器件关断后，所述待测IGBT器件集电极和发射极之间的电压的上升速率根据所述第一吸收电路确定。
可选地，所述待测IGBT器件关断后，所述电压的电压峰值根据所述避雷器支路中的避雷器确定。
可选地，所述电流源根据预设波形输出输出电流，所述输出电流在第一时刻达到预设电流值，关断所述待测IGBT器件的步骤中，包括：所述待测IGBT器件出现异常在第一时刻无法关断时，在第二时刻关断第一开关，所述第二时刻大于所述第一时刻。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的IGBT器件的测试电路，包括电流源、电感、第一开关、第一电压源、待测IGBT器件、第一吸收电路和过电压限制装置，其中：所述电流源的正极通过所述电感连接所述第一开关的一端，所述第一开关另一端连接所述待测IGBT器件的集电极；所述第一电压源的正极连接所述待测IGBT器件的栅极，所述第一电压源的负极连接所述电流源的负极；所述待测IGBT器件的发射极连接所述电流源的负极；所述第一吸收电路与所述过电压限制装置并联在所述待测IGBT器件的集电极和发射极之间。这种IGBT器件的测试电路所需要的测试设备成本低、体积小及测试操作可靠性高。
2.本发明还提供的IGBT器件的测试方法，包括以下步骤：导通第一开关和待测IGBT器件；所述电流源根据预设波形输出输出电流，所述输出电流在第一时刻达到预设电流值，关断所述待测IGBT器件。这种测试方法具有操作简单、可靠性高的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中IGBT器件的测试电路的一个具体示例的电路图；
图2为本发明实施例1中IGBT器件的测试电路的另一个具体示例的电路图；
图3为本发明实施例2中IGBT器件的测试方法的一个具体示例的流程图；
图4为本发明实施例2中IGBT器件的测试方法的另一个具体示例的流程图；
图5为本发明实施例2中IGBT器件的测试方法的测试电路的一个具体示例的时序图；
图6为本发明实施例2中IGBT器件的测试方法的测试电路的另一个具体示例的时序图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种IGBT器件的测试电路，电路结构图如图1所示，包括电流源1、电感2、第一开关3、第一电压源4、待测IGBT器件5、第一吸收电路6和过电压限制装置7，其中：
电流源1的正极通过电感2连接第一开关3的一端，第一开关3另一端连接待测IGBT器件5的集电极。电流源1为IGBT器件的测试电路提供所需要的测试电流。测试电流在进行大电流测试时，为待测IGBT器件5提供所需的电流值；在进行大电压测试时，与电容配合为待测IGBT器件5提供所需电压值；电流源1输出的测试电流根据实际需要合理设置即可。电感2在待测IGBT器件5关断后，此时由于电感2的电流不能突变，电感2会产生一个电动势，在待测IGBT器件5的集电极和发射极两端持续增高电压以达到测试所需要的大电压值。
第一电压源4的正极连接待测IGBT器件5的栅极，第一电压源4的负极连接电流源1的负极，第一电压源4表示为VG1。第一电压源4用于控制待测IGBT器件5的导通和关断，在进行大电流测试时，待测IGBT器件5导通，使大电流流过待测IGBT器件5；在进行大电流测试时，待测IGBT器件5关断，通过电流源1输出的电流给并联在待测IGBT器件5集电极和发射极之间的电容充电，提供测试所需要的大电压。
待测IGBT器件5的发射极连接电流源1的负极，用于形成大电流测试回路。
第一吸收电路6与过电压限制装置7并联后连接在待测IGBT器件5的集电极和发射极之间。第一吸收电路6和过电压限制装置7用于在大电压测试时提供所需要的电压值，在测试过程中，IGBT器件处于关断状态，电流源1输出的电流给第一吸收电路6中的电容充电，使待测IGBT器件5集电极和发射极两端的电压VCE逐渐，过电压限制装置限制电压VCE的峰值。在本实施例中，过电压限制装置为避雷器组，避雷器在正常系统工作电压下，呈现高电阻状态，仅有微安级电流通过，在大电压作用下便呈现低电阻，限制了避雷器两端的电压，进而限制待测IGBT器件5集电极和发射极两端的电压；当然，在其它实施例中，也可以为其它具有过电压保护作用的装置，如压敏电阻、浪涌保护装置等，根据需要合理选择即可。
由于不同的待测IGBT器件5的电压等级可能不同，为了便于不同电压等级的测试，如图2所示，避雷器组包括若干不同电压等级的避雷器支路，避雷器支路表示为1～n，每一个避雷器支路均包括相互串联的第二开关71和避雷器72，第二开关71根据支路表示为K1～Kn，避雷器72根据支路表示为F1～Fn，电压等级由每条支路上的避雷器72确定，测试时，根据待测IGBT器件5的电压等级选择合适的避雷器支路，闭合相应支路上的第二开关71，之后进行测试，通过第二开关71和避雷器72的切换使用，实现不同限制电压选择，从而实现待测IGBT器件5关断电压可控。
第一开关3能够保证在待测IGBT器件5无法关断时，通过第一开关3可以有效切断测试电路，确保电流源1、设备及测试人员安全，提高可靠性。在本实施例中，如图2所示，第一开关3包括保护器件31和保护器件31的控制器件32，其中，保护器件31为保护IGBT，控制器件32为第二电压源，第二电压源表示为VG2，保护IGBT的栅极连接第二电压源的正极，保护IGBT的集电极连接电感2，保护IGBT的发射极连接待测IGBT器件5的集电极和第二电压源的负极。由于保护IGBT本身的特性决定了流过单个保护IGBT的电流能力有限，为了满足待测IGBT的大电流测试，提高保护器件的电流承受及分断能力，保护器件31中的保护IGBT设置有多个且并联连接，并联的多个保护IGBT表示为M1～Mn，这样即可提供测试所需要的大电流，所需电流越大，则并联的个数越多，根据需要合理设置即可。当然，在其它实施例中，也可以为其它类型的开关，只要能满足电流要求即可，如绝缘栅型场效应管MOS管、双极型三极管(BJT)等，根据需要合理选择即可。
由于RCD吸收电路对过电压的抑制较好，电压升高的幅度更小，在本实施例中，如图2所示，第一吸收电路6包括二极管D1、电阻R1和电容C1，其中，二极管D1和电阻R1并联后与电容C1串联。当然，在其它实施例中，第一吸收电路6也可以为其它类型的缓冲电路，如RC吸收电路，根据需要合理设置即可。通过选择第一吸收电路6中的电容C1的电容参数，可有效控制待测IGBT器件5关断后电压VCE的上升速率。
在本实施例中，电流源1为低压电流源，具体可以选择低压程控电流源，提供待测IGBT器件5所需要的大电流值，由于电压较低，电源功率相对于高压大电流电源成本较低；当然，在其它实施例中，电流源1也可以为其它类型的电流源，只要其输出的电流值满足要求即可，根据需要合理选择即可。
为了抑制第一开关3通断时的浪涌电压和电流，给整个测试电路提供更好的输出波形，且保护第一开关3不被电压过冲损坏，上述IGBT器件的测试电路还包括第二吸收电路8，第二吸收电路8与第一开关3并联。由于RCD吸收电路对过电压的抑制较好，电压升高的幅度更小，在本实施例中，如图2所示，第二吸收电路8包括二极管D2、电阻R2和电容C2，其中，二极管D2和电阻R2并联后与电容C2串联；当然，在其它实施例中，第二吸收电路8也可以为其它类型的缓冲电路，如RC吸收电路，根据需要合理设置即可。
上述IGBT器件的测试电路，通过使用低压电流源和电感组合的方法产生待测IGBT测试所需的高电压和大电流，且大幅降低电源功率，降低设备成本；通过第一吸收回路，选择吸收电容参数，可有效控制待测IGBT器件关断后电压VCE的上升速率；通过第二开关和避雷器的切换使用，实现不同限制电压选择，从而实现器件关断电压可控；通过使用第一开关，使第一开关在待测IGBT器件无法关断后延时关断，具备一定回路保护能力，确保测试电路安全可靠。因此，这种IGBT器件的测试电路所需要的测试设备成本低、体积小及测试操作可靠性高。
实施例2
本实施例提供一种IGBT器件的测试方法，流程图如图3所示，作为本实施例的一个优选方案，流程图如图4所示，包括以下步骤：
S00：在本实施例中，由于过电压限制装置为避雷器组，避雷器组包括若干不同电压等级的避雷器支路，避雷器支路表示为1～n，因此，具体步骤为测试开始前，根据待测IGBT器件5的电压等级确定过电压限制装置7中一个避雷器支路，闭合相应避雷器支路上的第二开关71，如选择支路n上的避雷器Fn，则闭合第二开关Kn。避雷器在正常系统工作电压下，呈现高电阻状态，仅有微安级电流通过，在大电压作用下便呈现低电阻，限制了避雷器两端的电压，进而限制待测IGBT器件5集电极和发射极两端的电压，因此，不同的避雷器支路所限制的电压不同。
S01：导通第一开关3和待测IGBT器件5。在本实施例中，第一开关3包括保护器件31和保护器件31的控制器件32，其中，保护器件31为保护IGBT，控制器件32为第二电压源。具体为给待测IGBT器件5和保护IGBT的栅极加导通信号，使待测IGBT器件5和保护IGBT处于导通状态，待测IGBT器件5的栅极控制信号为第一电压源4，保护IGBT的栅极控制信号为第二电压源，在本实施例中，由于待测IGBT器件5和保护IGBT均为NPN型，因此，第一电压源4和第二电压源输出的高电平信号施加到栅极即可使待测IGBT器件5和保护IGBT实现导通，大电流测试回路设置完成，之后开启电流源1便可进行大电流测试。
S02：电流源1根据预设波形输出相应的输出电流，输出电流在第一时刻t1达到预设电流值，待测IGBT器件5的栅极施加关断信号，关断信号为第一电压源4输出的低电平信号，将待测IGBT器件5关断，完成大电流测试。预设电流根据待测IGBT器件5所需的测试电流Ic确定，根据需要合理设置即可。待测IGBT器件5在第一时刻t1关断，这种情况表示待测IGBT器件5未出现异常，进行大电压测试，此时由于流经电感2的电流不能突变，电感2会产生一个电动势，在待测IGBT器件5的集电极和发射极两端持续增高电压，由于第一吸收回路6的存在，待测IGBT器件5两端的电压VCE上升且上升速率由第一吸收回路6中的电容C1控制，VCE的电压峰值由避雷器Kn限制，进而达到待测IGBT器件5关断后集电极和发射极两端承受需要的高电压值，进行大电压测试，测试电路的时序图如图5所示，电路在第一时刻t1的逻辑大致是待测IGBT器件5关断，Ic电流下降，同时电压VCE上升；待测IGBT器件5出现异常在第一时刻t1无法关断时，这种情况下，无法进行大电压测试，为了保证整个测试回路的安全，保护IGBT在待测IGBT器件5关断后一段时间后关断，即在第二时刻t2关断保护IGBT，第二时刻t2大于第一时刻t1，在保护IGBT的栅极施加第二电压源输出的低电平信号即可将其关断，保护IGBT的关断将测试电路切断，测试电路的时序图如图6所示。
上述IGBT器件的测试方法，测试待测IGBT器件所需要的大电流值由低压程控电流源提供，由于电压较低，电源功率相对于高压大电流电源成本较低；待测IGBT器件关断后所需要的高电压值，由电感感应产生，并通过吸收电容容值控制电压上升速率，通过选择不同避雷器型号，控制该感应电压峰值，从而在关断大电流同时产生所需高电压值；测试电路中加入了保护IGBT组，通过使用多器件并联，确保在待测IGBT器件无法关断时，保护IGBT组可以有效切断测试电路，确保电流源、设备及测试人员安全，保护IGBT组两端并联的第二吸收回路对保护IGBT器件起到保护作用。这种测试方法具有操作简单、可靠性高的优点。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (14)

1.一种IGBT器件的测试电路，其特征在于，包括电流源(1)、电感(2)、第一开关(3)、第一电压源(4)、待测IGBT器件(5)、第一吸收电路(6)、和过电压限制装置(7)，其中：
所述电流源(1)的正极通过所述电感(2)连接所述第一开关(3)的一端，所述第一开关(3)另一端连接所述待测IGBT器件(5)的集电极；
所述第一电压源(4)的正极连接所述待测IGBT器件(5)的栅极，所述第一电压源(4)的负极连接所述电流源(1)的负极；
所述待测IGBT器件(5)的发射极连接所述电流源(1)的负极；
所述第一吸收电路(6)与所述过电压限制装置(7)并联在所述待测IGBT器件(5)的集电极和发射极之间。
2.根据权利要求1所述的IGBT器件的测试电路，其特征在于，所述过电压限制装置(7)为避雷器组。
3.根据权利要求2所述的IGBT器件的测试电路，其特征在于，所述避雷器组包括若干不同电压等级的避雷器支路，每一个所述避雷器支路均包括相互串联的第二开关(71)和避雷器(72)。
4.根据权利要求3所述的IGBT器件的测试电路，其特征在于，还包括第二吸收电路(8)，所述第二吸收电路(8)与所述第一开关(3)并联。
5.根据权利要求2-4任一所述的IGBT器件的测试电路，其特征在于，所述第一开关(3)包括保护器件(31)和所述保护器件(31)的控制器件(32)。
6.根据权利要求5所述的IGBT器件的测试电路，其特征在于，所述保护器件(31)为保护IGBT，所述控制器件(32)为第二电压源，其中，所述保护IGBT的栅极连接所述第二电压源的正极，所述保护IGBT的集电极连接所述电感(2)，所述保护IGBT的发射极连接所述待测IGBT器件(5)的集电极和所述第二电压源的负极。
7.根据权利要求6所述的IGBT器件的测试电路，其特征在于，所述保护器件(31)中的保护IGBT设置有多个且并联连接。
8.根据权利要求1-7任一所述的IGBT器件的测试电路，其特征在于，所述第一吸收电路(6)或所述第二吸收电路(8)包括二极管(D)、电阻(R)和电容(C)，其中，所述二极管(D)和所述电阻(R)并联后与所述电容(C)串联。
9.根据权利要求1-8任一所述的IGBT器件的测试电路，其特征在于，所述电流源(1)为低压电流源。
10.一种IGBT器件的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
导通第一开关(3)和待测IGBT器件(5)；
所述电流源(1)根据预设波形输出输出电流，所述输出电流在第一时刻(t1)达到预设电流值，关断所述待测IGBT器件(5)。
11.根据权利要求10所述的IGBT器件的测试方法，其特征在于，所述导通第一开关(3)和待测IGBT器件(5)的步骤之前，还包括：
根据待测IGBT器件(5)的电压等级确定过电压限制装置(7)中的避雷器支路，闭合相应避雷器支路上的第二开关(71)。
12.根据权利要求11所述的IGBT器件的测试方法，其特征在于，所述待测IGBT器件(5)关断后，所述待测IGBT器件(5)集电极和发射极之间的电压的上升速率根据所述第一吸收电路(6)确定。
13.根据权利要求11或者12所述的IGBT器件的测试方法，其特征在于，所述待测IGBT器件(5)关断后，所述电压的电压峰值根据所述避雷器支路中的避雷器(72)确定。
14.根据权利要求13所述的IGBT器件的测试方法，其特征在于，所述电流源(1)根据预设波形输出输出电流，所述输出电流在第一时刻(t1)达到预设电流值，关断所述待测IGBT器件(5)的步骤中，包括：
所述待测IGBT器件(5)出现异常在第一时刻(t1)无法关断时，在第二时刻(t2)关断第一开关(3)，所述第二时刻(t2)大于所述第一时刻(t1)。
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