CN111736053A - 一种用于检测igbt过压击穿特性的电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于检测IGBT过压击穿特性的电路及方法，该电路包括：母线直流电源，固态断路器，储能电容，升压电力电子开关，双脉冲测试电路；本发明采用双脉冲测试方法，能够实现IGBT在关断瞬态过高电压尖峰以及关断稳态时耐压过高引起的雪崩击穿；通过设置升压电力电子开关能够快速切换IGBT耐受电压，精确控制IGBT在关断稳态时耐受过高电压的时间；此外由于过长的雪崩击穿容易造成过流故障，本发明通过设置固态断路器，防止IGBT发生永久击穿时，因能量集聚引发严重的炸管现象。

Description

一种用于检测IGBT过压击穿特性的电路及方法

技术领域

本发明涉及一种IGBT过压击穿检测电路及方法，尤其涉及一种检测IGBT关断稳态过压击穿特性的电路及方法，属于电力电子领域。

背景技术

大功率IGBT等功率器件的过电压击穿现象是多电平电力电子装置中常见的故障之一。受电力电子装置线路设计不当、负载突变、电网波动、功率器件误动作以及电磁干扰的影响，容易引起功率器件过压击穿故障。在长时间高频次的短时过压后，将会加速功率器件老化，甚至发生不可逆的永久击穿失效。

通常IGBT有两种工作状态会发生过压击穿，首先是在IGBT关断瞬态，当电流回路的杂散电感过高、负载电流较大或发生过流时，关断瞬态的IGBT在集电极电流下降时叠加了极大的电压尖峰，超过了额定电压，造成过压击穿故障；研究显示，短时的过压击穿不会造成IGBT器件的失效，但在经历多次脉冲周期后，器件将会发生永久失效并大概率造成短路，过热等二次故障。另一种状态是在IGBT关断稳态，当母线电压波动或其他功率器件误开通或未完全关断使得该IGBT承受过高的电压，并超过了额定电压，过压状态的持续时间通常会长于IGBT关断瞬态，导致器件迅速击穿，造成二次故障。

然而目前大多数过压检测方法仅只对IGBT在关断瞬态发生的过压击穿特性进行检测，未有针对IGBT在关断稳态发生的过压击穿特性进行检测。

发明内容

本发明针对现有技术的缺点，提出一种可用于检测IGBT关断稳态过压击穿特性的电路及方法，该电路能分别检测IGBT在关断瞬态和关断稳态时发生的过压击穿特性，完善了IGBT过压击穿特性检测。技术方案如下：

一种用于检测IGBT过压击穿特性的电路，包括：直流母线电源，固态断路器，储能电容，升压电力电子开关，双脉冲测试电路；其中，

所述直流母线电源，用于向过压检测电路提供稳定的直流电压；

所述固态断路器，用于快速切断直流电源与高频直流电源；

所述储能电容，用于向过压检测电路提供短时稳定的直流电压；

所述升压电力电子开关，用于快速切换待测IGBT集射极电压；

所述双脉冲测试电路，用于实现待测IGBT的正常开关过程。

进一步，所述直流母线电源包括双脉冲电路的直流电源U1和用于短时提高待测IGBT集-射极电压的过压电源U2，所述直流电源U1与过压电源U2为串联连接，分别由大容值的电容进行电压存储。

进一步，所述直流电源U1的电压小于待测IGBT的额定电压，直流电源U1与过压电源U2的电压之和为待测IGBT的额定电压1到2倍之间。

进一步，所述固态断路器由功率器件TS1和TS2组成，功率器件TS1的集电极与直流母线电源中的直流电源U1的正极、过压电源U2的负极相连，功率器件TS2的集电极与过压电源U2的正极相连；在正常运行时，功率器件TS1和TS2处于导通状态；当进行IGBT过压特性检测时，若待测IGBT被击穿失效后发生了过流故障，功率器件TS1或TS2将会检测到过流故障，并自行关断，从而切断直流母线电源供电回路。

进一步，储能电容包括母线电容C1和C2，母线电容C1用于提供双脉冲测试电路的母线电压，母线电容C2用于短时提高待测IGBT集-射极电压。

进一步，升压电力电子开关为功率器件TA，功率器件TA的集电极与母线电容C2的一端、功率器件TS2的发射极相连；在正常运行时，功率器件处于关断状态，当需要对待测IGBT注入更高的电压时，将功率器件TA窄脉冲开通。

进一步，双脉冲测试电路包括待测IGBT T1、IGBT T2，钳位二极管D1，负载电感L；D1，T1和T2串联，负载电感L与其中的一个待测IGBT T2并联；其中：钳位二极管D1的阳极与储能电容中的母线电容C2的另一端、母线电容C1的一端、及固态断路器中的功率器件TS1的发射极相连，钳位二极管D1的阴极与升压电力电子开关中的功率器件TA的发射极、待测IGBT T1的集电极相连，待测IGBT T1的发射极与负载电感L的一端、待测IGBT T2的集电极相连，待测IGBT T2的发射极与负载电感L的另一端、母线电容的另一端、直流电源U1的负极相连。

一种基于上述的检测IGBT过压击穿特性电路的检测方法，所述IGBT采用IGBT模组，所述IGBT模组由IGBT T1、IGBT T2及其驱动器组成，所述IGBT T1、IGBT T2为相同器件，该方法能够用于IGBT关断稳态过压击穿特性的检测，具体方法包括，

检测IGBT T2的集电极电压：将未与负载电感L并联的待测IGBT T1开通，使待测IGBT T2承受直流电源U1的电压；在待测IGBT T1完全导通后，将功率器件TA窄脉冲开通；在功率器件TA导通时，待测IGBT T2承受直流电源U1与过压电源U2的电压之和，待测IGBT T2承受过高电压；在功率器件TA关断后，待测IGBT T2承受电压恢复至直流电源U1，最后将待测IGBT T1关断。

一种基于上述的检测IGBT过压击穿特性电路的检测方法，所述IGBT采用IGBT模组，所述IGBT模组由IGBT T1、IGBT T2及其驱动器组成，所述IGBT T1、IGBT T2为相同器件，该方法能够用于IGBT关断瞬态时过压击穿检测，具体方法包括，

检测IGBT T1的集电极电压；将钳位二极管D1替换为较高杂散电感的导体，将未与负载电感L并联的待测IGBT T1脉冲开通，在待测IGBT T1关断瞬态时，由于双脉冲测试电路的杂散电感较大，待测IGBT T1将承受过高的击穿电压。

一种基于上述的检测IGBT过压击穿特性电路的检测方法，所述IGBT采用IGBT模组，所述IGBT模组由IGBT T1、IGBT T2及其驱动器组成，所述IGBT T1、IGBT T2为相同器件，该方法不仅能够用于IGBT关断稳态过压击穿特性的检测，还能够用于IGBT关断瞬态时过压击穿检测，具体方法包括，检测IGBT T2的集电极电压：将未与负载电感L并联的待测IGBTT1开通，使待测IGBT T2承受直流电源U1的电压；在待测IGBT T1完全导通后，将功率器件TA窄脉冲开通；在功率器件TA导通时，待测IGBT T2承受直流电源U1与过压电源U2的电压之和，待测IGBT T2承受过高电压；在功率器件TA关断后，待测IGBT T2承受电压恢复至直流电源U1，最后将待测IGBT T1关断；检测IGBT T1的集电极电压；将钳位二极管D1替换为较高杂散电感的导体，将未与负载电感L并联的待测IGBT T1脉冲开通，在待测IGBT T1关断瞬态时，由于双脉冲测试电路的杂散电感较大，待测IGBT T1将承受过高的击穿电压；

其中，当需要单独分别对IGBT T1和IGBT T2的关断稳态和关段瞬态过压击穿特性进行检测时，只需将IGBT T1和IGBT T2的位置进行调换，再进行一次上述检测方法即可。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明不仅能够对IGBT关断瞬态过压击穿特性进行检测，还能通过窄脉冲控制，切换IGBT承受的电压，从而检测IGBT关断稳态的过压击穿特性；当IGBT发生击穿失效时，检测电路能够自行切断直流供电电源，从而避免发生更为严重的二次故障。

附图说明：

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例提供的本发明的检测电路结构框图；

图2为本发明实施例提供的待测IGBT在关断稳态的过压击穿波形图；

图3为本发明实施例提供的发生永久击穿后的系统电路保护波形图；

图4为本发明实施例提供的待测IGBT在关断瞬态的过压击穿波形图。

具体实施方式：

为了能够更清楚地理解本发明内容，下面结合附图及具体实施方式对本发明进行说明。

实施例1：

图1给出了本发明提供的IGBT关断稳态的过压击穿检测电路结构框图。检测电路包括：直流母线电源1，固态断路器2，储能电容3，升压电力电子开关4，双脉冲测试电路5。

直流母线电源，用于向过压检测电路提供稳定的直流电压，包括常规双脉冲电路的直流电源U1和用于短时提高待测IGBT集射极电压的过压电源U2；直流电源U1与过压电源U2为串联连接；直流电源U1和过压电源U2的电压分别由大容值的电容进行电压存储，保证多次过压检测后母线电压基本保持不变；直流电源U1的电压小于待测IGBT的额定电压，直流电源U1与过压电源U2的电压之和为待测IGBT的额定电压1到2倍之间。

固态断路器，用于快速切断母线直流电源与高频直流电源；包括：功率器件TS1和TS2，本实施例采用IGBT模组测试，该模组由IGBT T1、IGBT T2及其驱动器组成；其中：功率器件TS1的集电极与直流电源U1的正极、过压电源U2的负极相连，功率器件TS2的集电极与过压电源U2的正极相连；在正常运行时，功率器件TS1和TS2处于导通状态；当进行IGBT过压特性检测时，若待测IGBT被永久击穿失效后发生了过流故障，功率器件TS1或TS2将会检测到过流故障，并自行关断，从而切断直流母线电源供电回路。

储能电容，用于向过压检测电路提供短时直流电压，包括：母线电容C1和C2，母线电容C1用于提供双脉冲测试电路的母线电压，母线电容C2用于短时提高待测IGBT集射极电压。母线电容C1和C2的电压在进行单次双脉冲运行的过程中基本保持不变，但在待测IGBT发生永久击穿时将会快速下降，使得待测IGBT无法长时间集聚能量，从而避免出现严重的炸管现象。

升压电力电子开关，用于快速切换待测IGBT集射极电压，由功率器件TA构成，本实施例采用IGBT模组测试，该模组由IGBT T1、IGBT T2及其驱动器组成；其中：功率器件TA的集电极与母线电容C2的一端、功率器件TS2的发射极相连；在正常运行时，功率器件TA处于关断状态，当需要对待测IGBT注入更高的电压时，功率器件TA能够快速开通，在经过设置好的开通时间后，功率器件TA能够快速关断。

双脉冲测试电路，用于实现待测IGBT的开关过程，包括：待测IGBT T1和T2，钳位二极管D1，负载电感L；D1，T1和T2串联，负载电感L与其中的一个待测IGBT T2并联。

其中：钳位二极管D1的阳极与母线电容C2的另一端、母线电容C1的一端、功率器件TS1的发射极相连，钳位二极管D1的阴极与功率器件TA的发射极、待测IGBT T1的集电极相连，待测IGBT T1的发射极与负载电感L的一端、待测IGBT T2的集电极相连，待测IGBT T2的发射极与负载电感L的另一端、母线电容的另一端、直流电源U1的负极相连。

钳位二极管D1的作用保证在待测IGBT被注入更高电压时不向储能电容充电；当检测IGBT关断瞬态时的过压击穿时，可用杂散电感较高的短导体将钳位二极管D1替换，提高待测IGBT关断瞬态时过压尖峰，引发过压击穿。

实施例2：

本实例根据图2所示的IGBT的输出波形，本实施例采用IGBT模组测试，该模组由IGBT T1、IGBT T2及其驱动器组成，IGBT T1、IGBT T2为相同器件，详细介绍本发明的待测IGBT关断稳态时过压击穿的检测方法，该方法包括，

检测IGBT T2的集电极电压；

将未与负载电感L并联的待测IGBT T1开通，使待测IGBT T2承受直流电源U1的电压；

在待测IGBT T1完全导通后，将功率器件TA窄脉冲开通；

在功率器件TA导通时，待测IGBT T2承受直流电源U1与过压电源U2的电压之和，待测IGBT T2承受过高电压；

在功率器件TA关断后，待测IGBT T2承受电压恢复至直流电源U1，最后将待测IGBTT1关断。

根据上述方法的具体应用：检测对象为待测IGBT T2，直流电源U1的电压为400V，过压电源U2的电压为400V，设置待测IGBT T1以开通时间为4μs，关断时间为2μs的脉冲连续运行，在待测IGBT T1导通的时候，待测IGBT T2集电极电压VCE.T2等于直流电源U1的电压，为400V，在待测IGBT T1开通后的1μs后，将功率器件TA窄脉冲开通，持续时间为2μs，待测IGBTT2集电极电压VCE.T2将承受直流电源U1与过压电源U2的电压之和，为800V，超过了该器件的额定电压，此时待测IGBT T2为关断稳态的过压击穿。在功率器件TA关断后，待测IGBT T2集电极电压VCE.T2承受电压恢复至直流电源U1，最后将待测IGBT T1关断。

实施例3：

本实施例根据图2所示的IGBT的输出波形，本实施例采用IGBT模组测试，该模组由IGBT T1、IGBT T2及其驱动器组成；IGBT T1、IGBT T2为相同器件，下面详细介绍本发明的待测IGBT关断瞬态过压击穿的检测方法，该方法包括，检测IGBT T1的集电极电压；

将钳位二极管D1替换为较高杂散电感的导体，将未与负载电感L并联的待测IGBTT1脉冲开通，在待测IGBT T1关断瞬态时，由于双脉冲测试电路的杂散电感较大，待测IGBTT1将承受过高的击穿电压。

根据上述方法的具体应用：检测对象为待测IGBTT1；将钳位二极管D1替换为较高杂散电感的导体，直流电源U1的电压为600V，设置待测IGBTT1以开通时间为4μs，关断时间为2μs的脉冲连续运行，在导通过程中，集电极电流持续上升，由于较大负载电感L以及待测IGBT T2的续流作用，在待测IGBT T1关断时负载电流基本保持不变，在每一次的开通瞬态，集电极电流将会迅速上升至负载电流。由于双脉冲测试电路的杂散电感较大，在待测IGBTT1的关断瞬态，待测IGBT T1的集电极电压VCE.T1的电压尖峰非常明显，其电压不随负载电流的上升而上升，最高过压为980V，该电压尖峰值即为待测IGBTT1的击穿电压。

当继续施加脉冲时，待测IGBTT1将会发生永久击穿，从图3的波形可以看出，待测IGBTT1在一次关断瞬态发生永久击穿，集电极电压VCE.T1电压几乎为0，电流持续上升，当T1集电极电流IC.T1上升至过高时，功率器件TS1检测出过流故障并立即关断，T1集电极电流IC.T1将随着电容C2电压的下降将快速下降。从而避免因流过IGBT T1的电流过高造成的二次故障。

实施例4：

本实施例采用IGBT模组测试，该模组由IGBT T1、IGBT T2及其驱动器组成；IGBTT1、IGBT T2为相同器件，下面详细介绍本发明的待测IGBT关断稳态过压击穿特性的检测和关断瞬态时过压击穿检测，具体方法包括，检测IGBT T2的集电极电压：将未与负载电感L并联的待测IGBT T1开通，使待测IGBT T2承受直流电源U1的电压；在待测IGBT T1完全导通后，将功率器件TA窄脉冲开通；在功率器件TA导通时，待测IGBT T2承受直流电源U1与过压电源U2的电压之和，待测IGBT T2承受过高电压；在功率器件TA关断后，待测IGBT T2承受电压恢复至直流电源U1，最后将待测IGBT T1关断；

检测IGBT T1的集电极电压；将钳位二极管D1替换为较高杂散电感的导体，将未与负载电感L并联的待测IGBT T1脉冲开通，在待测IGBT T1关断瞬态时，由于双脉冲测试电路的杂散电感较大，待测IGBT T1将承受过高的击穿电压；

其中，当需要单独分别对IGBT T1和IGBT T2的关断稳态和关段瞬态过压击穿特性进行检测时，只需将IGBT T1和IGBT T2的位置进行调换，再进行一次上述检测方法即可。

本发明不仅能够对IGBT关断瞬态过压击穿特性进行检测，还能通过窄脉冲控制，切换IGBT承受的电压，从而检测IGBT关断稳态的过压击穿特性；当IGBT发生击穿失效时，检测电路能够自行切断直流供电电源，从而避免发生更为严重的二次故障。

上述实例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于检测IGBT过压击穿特性的电路，其特征在于，包括：直流母线电源，固态断路器，储能电容，升压电力电子开关，双脉冲测试电路；其中，

所述直流母线电源，用于向过压检测电路提供稳定的直流电压；

所述固态断路器，用于快速切断直流电源与高频直流电源；

所述储能电容，用于向过压检测电路提供短时稳定的直流电压；

所述升压电力电子开关，用于快速切换待测IGBT集射极电压；

所述双脉冲测试电路，用于实现待测IGBT的正常开关过程。

2.根据权利要求1所述的用于检测IGBT过压击穿特性的电路，其特征在于，所述直流母线电源包括双脉冲电路的直流电源U1和用于短时提高待测IGBT集-射极电压的过压电源U2，所述直流电源U1与过压电源U2为串联连接，分别由大容值的电容进行电压存储。

3.根据权利要求2所述的用于检测IGBT过压击穿特性的电路，其特征在于：所述直流电源U1的电压小于待测IGBT的额定电压，直流电源U1与过压电源U2的电压之和为待测IGBT的额定电压1到2倍之间。

4.根据权利要求1所述的用于检测IGBT过压击穿特性的电路，其特征在于：所述固态断路器由功率器件TS1和TS2组成，功率器件TS1的集电极与直流母线电源中的直流电源U1的正极、过压电源U2的负极相连，功率器件TS2的集电极与过压电源U2的正极相连；在正常运行时，功率器件TS1和TS2处于导通状态；当进行IGBT过压特性检测时，若待测IGBT被击穿失效后发生了过流故障，功率器件TS1或TS2将会检测到过流故障，并自行关断，从而切断直流母线电源供电回路。

5.根据权利要求1所述的用于检测IGBT过压击穿特性的电路，其特征在于，储能电容包括母线电容C1和C2，母线电容C1用于提供双脉冲测试电路的母线电压，母线电容C2用于短时提高待测IGBT集-射极电压。

6.根据权利要求1所述的用于检测IGBT过压击穿特性的电路，其特征在于，升压电力电子开关为功率器件TA，功率器件TA的集电极与母线电容C2的一端、功率器件TS2的发射极相连；在正常运行时，功率器件处于关断状态，当需要对待测IGBT注入更高的电压时，将功率器件TA窄脉冲开通。

7.根据权利要求1所述的用于检测IGBT过压击穿特性的电路，其特征在于，双脉冲测试电路包括待测IGBT T1、IGBT T2，钳位二极管D1，负载电感L；D1，T1和T2串联，负载电感L与其中的一个待测IGBT T2并联；其中：钳位二极管D1的阳极与储能电容中的母线电容C2的另一端、母线电容C1的一端、及固态断路器中的功率器件TS1的发射极相连，钳位二极管D1的阴极与升压电力电子开关中的功率器件TA的发射极、待测IGBT T1的集电极相连，待测IGBTT1的发射极与负载电感L的一端、待测IGBT T2的集电极相连，待测IGBT T2的发射极与负载电感L的另一端、母线电容的另一端、直流电源U1的负极相连。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的检测IGBT过压击穿特性电路的检测方法，所述IGBT采用IGBT模组，所述IGBT模组由IGBT T1、IGBT T2及其驱动器组成，其特征在于，该方法能够用于IGBT关断稳态过压击穿特性的检测，具体方法包括，

检测IGBT T2的集电极电压；

将未与负载电感L并联的待测IGBT T1开通，使待测IGBT T2承受直流电源U1的电压；

在待测IGBT T1完全导通后，将功率器件TA窄脉冲开通；

在功率器件TA导通时，待测IGBT T2承受直流电源U1与过压电源U2的电压之和，待测IGBT T2承受过高电压；

在功率器件TA关断后，待测IGBT T2承受电压恢复至直流电源U1，最后将待测IGBT T1关断。

9.一种基于权利要求1-7任一项所述的检测IGBT过压击穿特性电路的检测方法，所述IGBT采用IGBT模组，所述IGBT模组由IGBT T1、IGBT T2及其驱动器组成，其特征在于，该方法能够用于IGBT关断瞬态时过压击穿检测，具体方法包括，

检测IGBT T1的集电极电压；

将钳位二极管D1替换为较高杂散电感的导体，将未与负载电感L并联的待测IGBT T1脉冲开通，在待测IGBT T1关断瞬态时，由于双脉冲测试电路的杂散电感较大，待测IGBT T1将承受过高的击穿电压。

10.一种基于权利要求1-7任一项所述的检测IGBT过压击穿特性电路的检测方法，所述IGBT采用IGBT模组，所述IGBT模组由IGBT T1、IGBT T2及其驱动器组成，其特征在于，该方法不仅能够用于IGBT关断稳态过压击穿特性的检测，还能够用于IGBT关断瞬态时过压击穿检测，具体方法包括，检测IGBT T2的集电极电压：将未与负载电感L并联的待测IGBT T1开通，使待测IGBT T2承受直流电源U1的电压；在待测IGBT T1完全导通后，将功率器件TA窄脉冲开通；在功率器件TA导通时，待测IGBT T2承受直流电源U1与过压电源U2的电压之和，待测IGBT T2承受过高电压；在功率器件TA关断后，待测IGBT T2承受电压恢复至直流电源U1，最后将待测IGBT T1关断；检测IGBT T1的集电极电压；将钳位二极管D1替换为较高杂散电感的导体，将未与负载电感L并联的待测IGBT T1脉冲开通，在待测IGBT T1关断瞬态时，由于双脉冲测试电路的杂散电感较大，待测IGBT T1将承受过高的击穿电压；

其中，当需要单独分别对IGBT T1和IGBT T2的关断稳态和关段瞬态过压击穿特性进行检测时，只需将IGBT T1和IGBT T2的位置进行调换，再进行一次上述检测方法即可。

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