CN112731093B - 大功率igbt适配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及大功率IGBT的适配，具体为大功率IGBT适配方法。本发明所阐述的大功率IGBT适配方法是基于驱动核的驱动板，选择合适的门极开通电阻、门极关断电阻、门极电容以及短路保护电阻值和电容值，保证IGBT在满足功率单元的技术要求外，综合考虑整体变流系统的性能要求和保护要求，同时兼顾多家IGBT适配后的驱动板简统要求，利于降低IGBT器件和驱动板成本、减少驱动板部件的库存积压，更是利于车间组装对IGBT、驱动板管理工作和可追溯工作，保证IGBT产品的可靠工作。
Description
技术领域
本发明涉及大功率IGBT的适配，具体为大功率IGBT适配方法。
背景技术
大功率IGBT器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的核心器件。自2017年来，制作IGBT的原材料硅晶圆在全球范围内供不应求，直接导致IGBT在全球范围供货紧张，出现了交货周期拉长、价格上涨等一系列被动局面；同时国内电力电子变流市场的迅速扩张，轨道交通市场变流产品订单量增多，独家供货的IGBT器件出现断货现象，已经影响到轨道交通企业的订单交付；为了消除独家供货造成的成本壁垒，轨道交通企业急需开发2家以上IGBT产品保证轨道交通变流产品市场份额及产品交付。
大功率IGBT适配是基于变流系统的正常功率变换要求，通过选择合适的门极驱动参数，使得IGBT满足变流系统电压电流要求的同时，考虑IGBT开通关断时的时间延时、开通与关断损耗，保证IGBT在当前系统的要求下能够正常工作。
现在大功率IGBT适配存在以下问题：
1)IGBT适配的门极驱动板种类繁多。
由于IGBT适配过程涉及门极驱动板的参数匹配，参数正确与否，完全依靠个人经验所得，适配出来的门极参数千变万化，每一种IGBT适配的参数各不相同。有几种IGBT型号，就会有几种IGBT门极驱动板，造成驱动板种类繁多，积压库存等，没有解决问题，反而引发很多库存积压、部件管理混乱等问题。
2)IGBT适配过程兼顾的要求太局限
IGBT是变流系统的核心部件，其适配完成后是需要在变流器上进行各项功能试验和保护试验的，但是以前的适配要求只满足于以IGBT为核心的功率单元例行试验要求和型式试验要求，没有考虑变流系统整体要求。
发明内容
本发明所阐述的大功率IGBT适配方法是基于驱动核的驱动板，选择合适的门极开通电阻、门极关断电阻、门极电容以及短路保护电阻值和电容值，保证IGBT在满足功率单元的技术要求外，综合考虑整体变流系统的性能要求和保护要求，同时兼顾多家IGBT适配后的驱动板简统要求，利于降低IGBT器件和驱动板成本、减少驱动板部件的库存积压，更是利于车间组装对IGBT、驱动板管理工作和可追溯工作，保证IGBT产品的可靠工作。
本发明是采用如下的技术方案实现的：大功率IGBT适配方法，包括技术参数匹配和适配试验过程；
其中技术参数匹配过程包括以下步骤：
(1)根据IGBT技术手册，确定适配IGBT开通电阻、关断电阻、门极电容、门极电荷边界条件；适配IGBT分为第一供应商提供的IGBT和适配供应商提供的IGBT；
(2)根据不同供应商IGBT边界条件，选取初始的驱动板电气参数：开通电阻、关断电阻、门极电容、短路电阻和短路电容；
(3)装配功率模块：选取功率模块任一桥臂装配适配IGBT、配置板及适配初始电气参数的驱动板，形成第一供应商适配桥臂和适配供应商适配桥臂；
适配试验过程包括以下步骤：
(1)试验：将第一供应商适配桥臂和适配供应商适配桥臂在不同电压不同电流等级下进行测试，测试过程中采集门极电压Vge、IGBT两端VCE电压、上下管IGBT电流，记录适配参数并存储波形；
(2)适配参数分析：
A.驱动板电气参数：门极开通电阻、门极关断电阻、门极电容、短路电阻和短路电容应大于等于适配IGBT技术手册给出的数值；
B.适配IGBT二次关断过电压小于其标称电压，其匹配的功率模块过电压例行试验大纲及型式试验大纲要求；
C.二极管反向恢复电流大小应在其技术手册推荐电流范围内；
D.电气应力di/dt、dv/dt在适配IGBT技术手册试验数值范围内；
E.IGBT开通延时与关断延时与IGBT开关损耗和系统死区时间有关系，应与已上线验证过的IGBT进行对比参照，保证基于IGBT损耗的功率模块整体损耗小于冷却系统散热功率；开通延时和关断延时时间关系通过计算后小于系统给定的死区时间，Td＝(Tdoff-Tdon)×1.5＜Tdxt；Td：延时时间；Tdoff：关断延时；Tdon：开通延时，Tdxt为死区时间；
如若不满足上述要求，需重新调整驱动板电气参数，进行适配试验，直至选出合适的驱动板电气参数使得第一供应商和适配供应商提供的IGBT都满足上述要求，即一种驱动板可以驱动不同供应商提供的IGBT。
上述的大功率IGBT适配方法，适配试验过程还包括以下步骤：
(3)杂散电感测试：
根据要求对所有供应商IGBT进行杂散电感测试，取功率模块某一桥臂上的IGBT进行试验，在试验过程中用采集IGBT CE两端电压、IGBT电流，读取Us、di值，根据公式Us＝Ls×(di/dt)，就可以算出杂散电感数值；Us:杂散电感上感应电压；Ls:杂散电感值；di:电流变化值；dt:电流变化时间；
(4)短路测试：
根据要求对所有供应商IGBT进行短路测试，功率模块的输入端和输出端采用驱动板短接，测试过程中采集门极电压Vge、IGBT电压、短路电流，记录波形参数值，并存储波形；
杂散电感测试、短路测试不满足要求则需要需重新调整驱动板电气参数，进行测试，直至选出合适的驱动板电气参数使得所有供应商IGBT满足要求。
上述的大功率IGBT适配方法，适配试验过程中还包括并联IGBT均流试验，并联IGBT均流试验的过程为：
适配功率模块如为双管并联的四象限整流模块，将并联的上桥臂和下桥臂IGBT进行均流对比；将功率模块在低压、高压等级下进行测试，采集门极电压Vge、IGBT电压、并联IGBT各个电流，观察并联IGBT均流情况，记录波形参数值及并存储波形；
相应的适配参数分析中还包括：F.四象限并管的IGBT均流要求：△I＜5％*I；△I:并联电流最大差值,I:单只IGBT二次关断电流。
上述的大功率IGBT适配方法，还包括验证试验过程，验证试验过程具体包括以下步骤：
(1)开关能力验证
进行常温、低温、高温下的双脉冲测试，验证适配合适电气参数的驱动板使得IGBT在极限温度下均可靠工作；
(2)短路保护验证
进行常温、低温、高温下的短路保护测试，验证适配合适电气参数的驱动板在极限温度下对IGBT发生短路故障均可靠保护；
(3)温升试验
温升试验验证IGBT的驱动匹配参数合理，IGBT在变流系统中是否可靠工作；各部件的最大温度不能超过最大允许温度，如若不满足上述要求，需重新调整驱动参数，
(4)接地保护试验
驱动板基于驱动核的适配功率模块需随变流器完成接地保护试验，包括中间直流回路接地保护试验、四象限输入侧接地保护试验、牵引逆变器输出侧接地保护试验，在接地保护试验过程中，TCU应报出相应接地故障，而非与驱动相关的硬件故障，若报出驱动相关的硬件故障，需进行RC参数调整，进行短路试验和接地保护试验。
上述的大功率IGBT适配方法，适配试验过程进行试验时，在测试相的“+”和“-”端连接可调电压源和支撑电容。
上述的大功率IGBT适配方法，开关能力验证和短路保护验证中低温为-40℃，高温为+70℃。
上述的大功率IGBT适配方法，驱动板电气参数在调整时，以第一供应商IGBT技术参数为准进行调整，便于统型。
本文发明的适配方法不仅仅满足IGBT器件开通关断要求，满足系统死区时间的要求；满足功率单元短路保护的要求，满足系统接地保护和温升的要求，更是兼顾多家IGBT型号的简统要求，规范适配流程，避免出错，减少库存，加快采购进度，提高产品质量。
附图说明
图1为测试点示意图。
图2为电路连接框图。
图3为杂散电感双脉冲测试图。
图中：1-Vge测试点，2-Vce测试点，3-电流测试点。
具体实施方式
IGBT适配分为三个过程：1)技术参数匹配；2)适配试验；3)参数验证。
1)技术参数匹配
(1)研究适配IGBT技术手册
研究第一供应商提供的IGBT和适配供应商提供的IGBT技术手册，确定适配IGBT开通电阻、关断电阻、门极电容、门极电荷等边界条件。以FZ1500R33HE3 IGBT为例，则具体边界如下表所示。
表1 IGBT所需参数列表
(2)驱动板参数
根据边界条件，选取驱动板初始电气参数：开通电阻、关断电阻、门极电容、短路电阻和短路电容。
(3)装配功率模块加装测试线束、电流环及电压探头
选取功率模块任一桥臂装配适配IGBT、配置板及驱动板，桥臂的上下两端为IGBT电流测试点，IGBT门极、发射极为Vge测试点、集电极、发射极为Vce测试点，需在电流测试点加装电流环，电压测试点加装测试线及电压探头，其测试点如图1所示。
2)适配试验
(1)双脉冲试验
为匹配合适的驱动参数，需对适配桥臂进行不同电压、电流等级的双脉冲测试。对功率单元进行电气连接，电路连接如图2所示，在测试相的“+”和“-”端连接可调电压源和支撑电容。
将适配桥臂在不同电压不同电流(低压/高压)等级下进行双脉冲测试，测试过程中采集门极电压Vge、IGBT两端VCE电压、上下管IGBT电流，记录波形参数值并存储波形。
(2)并连IGBT均流试验
适配功率模块如为双管并联的四象限整流模块，将并联的上桥臂和下桥臂IGBT上压入电流环，进行均流对比。将功率模块在低压/高压等级下进行双脉冲测试，采集门极电压Vge、IGBT电压、并联IGBT各个电流，观察并联IGBT均流情况，记录波形参数值及并存储波形。其中，IGBT两端VCE电压采集是为读取IGBT关断过电压和dv/dt；门极电压Vge采集是为读取IGBT开通和关断时间及门极电压上升沿和下降沿的延时时间，IGBT电流采集为读取di/dt。
(3)适配参数分析
IGBT适配过程中主要是通过调节门极开通电阻、门极关断电阻、门极电容、短路电阻和短路电容等参数，使得IGBT在确定的输入条件下，其器件特性参数满足功率模块需求和系统需求。即在适配过程中，保证输入直流电压恒定、负载电流一致的情况下，IGBT二次关断过电压、二极管反向恢复电流、di/dt、dv/dt、IGBT开通延时和IGBT关断延时等参数符合IGBT固有特性、功率模块要求和系统要求。其具体要求如下：
A.驱动板电气参数如门极开通电阻、门极关断电阻、门极电容、短路电阻和短路电容等选择应大于等于IGBT数据手册给出的数值
B.IGBT二次关断过电压小于IGBT标称电压(留有裕量)，其匹配的功率模块过电压例行试验大纲及型式试验大纲要求；
C.二极管反向恢复电流大小应在其数据手册推荐电流范围内；
D.电气应力di/dt、dv/dt在IGBT数据手册试验数值范围内；
E.IGBT开通延时与关断延时与IGBT开关损耗和系统死区时间有关系，应与已上线验证过的IGBT进行对比参照，保证基于IGBT损耗的功率模块整体损耗小于冷却系统散热功率；开通延时和关断延时时间关系通过计算后不能大于系统给定的死区时间，Td＝(Tdoff-Tdon)×1.5＜Tdxt。
F.四象限并管的IGBT均流要求：△I＜5％*I。△I:并联电流最大差值,I:单只IGBT二次关断电流。
如若不满足上述要求，需调整初始电气参数，再进行适配试验，直至满足上述要求。若与上线验证过的IGBT开通关断延迟差别很大，并且参数无法调整，需进行地面联调试验验证谐波含量、控制精度等。
(3)杂散电感测试
根据要求选取功率模块某一桥臂回路进行杂散电感测试，对此回路的IGBT进行双脉冲试验，在试验过程中用采集IGBT CE两端电压、IGBT电流，从示波器中读取Us,、di、dt值，带入下面式子，就可以算出杂散电感数值。
Us＝Ls×(di/dt)
Us:杂散电感上感应电压，Ls:杂散电感值，di:电流变化值，dt:电流变化时间
(4)短路测试
验证IGBT驱动板的短路保护能力，保证10us内可靠保护。
功率模块的高压输入端和输出端分别在模块前后面时，采用驱动板短接，禁止用软联线短接
测试过程中采集门极电压Vge、IGBT电压、短路电流，记录波形参数值，并存储波形。模块发生短路时确保IGBT驱动短路功能正常，短路保护时间<10us。
3)验证试验
(1)开关能力验证
进行常温、低温(-40℃)、高温(+70℃)下的双脉冲测试，验证适配合适的IGBT在极限温度下均可靠工作。
(2)短路保护验证
进行常温、低温(-40℃)、高温(+70℃)下的短路保护测试，验证适配合适的驱动板在极限温度下对IGBT发生短路故障均可靠保护。
(3)温升试验
温升试验验证IGBT的驱动匹配参数合理，IGBT在变流系统中是否可靠工作。
各部件的最大温度不能超过下表的最大允许温度。
表2温升试验监测值
| 零部件 | 最大允许温度℃ |
| 冷却液入水口温度 | 变流器系统保护值 |
| 复合母排 | 105℃ |
| 门极驱动板 | 85℃ |
| IGBT结温裕量 | Tjmax(-10,0) |
注：IGBT结温：将测量的IGBT壳温进行计算，核算出IGBT结温。
如若不满足上述要求，需重新调整驱动参数，进行适配试验与验证试验。
(4)接地保护试验
驱动板基于驱动核的适配功率模块需随变流器完成接地保护试验，包括中间直流回路接地保护试验、四象限输入侧接地保护试验、牵引逆变器输出侧接地保护试验，在接地保护试验过程中，TCU应报出相应接地故障，而非与驱动相关的硬件故障。若报出驱动相关的硬件故障，需进行RC参数调整，进行短路试验和接地保护试验。
具体实施实例
以整流逆变功率模块为研究对象，该功率模块装配1700V/1600AIGBT和1700V/2400AIGBT。适配ABB、英飞凌，对驱动板门极参数、短路保护参数、箝位电路参数进行适配和验证，考虑多家IGBT驱动板的兼容性，兼顾1700V IGBT应用的平台性，驱动板门极参数如表3所示。
表3ABB、英飞凌IGBT适配参数(实现简统化)
完成适配后的驱动板(一种)参数满足ABB、英飞凌的性能要求，解决因独家供货延误变流产品交付进度问题，实现驱动参数的简统化、平台化；减少驱动板批量采购的采购进度；实现驱动板配置管理的简单化。
适配的驱动板通过功率模块级别验证、变流器级别验证及小批量运行考核，目前已经批量装车。
Claims (7)
1.大功率IGBT适配方法，其特征在于包括技术参数匹配和适配试验过程；
其中技术参数匹配过程包括以下步骤：
（1）根据IGBT技术手册，确定适配IGBT开通电阻、关断电阻、门极电容、门极电荷边界条件；适配IGBT分为第一供应商提供的IGBT和适配供应商提供的IGBT；
（2）根据不同供应商IGBT边界条件，选取初始的驱动板电气参数：开通电阻、关断电阻、门极电容、短路电阻和短路电容；
（3）装配功率模块：选取功率模块任一桥臂装配适配IGBT、配置板及适配初始电气参数的驱动板，形成第一供应商适配桥臂和适配供应商适配桥臂；
适配试验过程包括以下步骤：
（1）试验：将第一供应商适配桥臂和适配供应商适配桥臂在不同电压不同电流等级下进行测试，测试过程中采集门极电压Vge、IGBT两端VCE电压、上下管IGBT电流，记录适配参数并存储波形；
（2）适配参数分析：
A.驱动板电气参数：门极开通电阻、门极关断电阻、门极电容、短路电阻和短路电容应大于等于适配IGBT技术手册给出的数值；
B.适配IGBT二次关断过电压小于其标称电压，其匹配的功率模块过电压例行试验大纲及型式试验大纲要求；
C.二极管反向恢复电流大小应在其技术手册推荐电流范围内；
D.电气应力di/dt、dv/dt在适配IGBT技术手册试验数值范围内；
E.IGBT开通延时与关断延时与IGBT开关损耗和系统死区时间有关系，应与已上线验证过的IGBT进行对比参照，保证基于IGBT损耗的功率模块整体损耗小于冷却系统散热功率；开通延时和关断延时时间关系通过计算后小于系统给定的死区时间，Td=(Tdoff-Tdon)×1.5＜Tdxt；Td：延时时间；Tdoff：关断延时；Tdon：开通延时，Tdxt为死区时间；
如若不满足上述要求，需重新调整驱动板电气参数，进行适配试验，直至选出合适的驱动板电气参数使得第一供应商和适配供应商提供的IGBT都满足上述要求。
2.根据权利要求1所述的大功率IGBT适配方法，其特征在于适配试验过程还包括以下步骤：
(3)杂散电感测试：
根据要求对所有供应商IGBT进行杂散电感测试，取功率模块某一桥臂上的IGBT进行试验，在试验过程中用采集IGBT CE两端电压、IGBT电流，读取Us、di值，根据公式 Us=Ls×(di/dt)，就可以算出杂散电感数值；Us:杂散电感上感应电压；Ls:杂散电感值；di:电流变化值；dt:电流变化时间；
（4）短路测试：
根据要求对所有供应商IGBT进行短路测试，功率模块的输入端和输出端采用驱动板短接，测试过程中采集门极电压Vge、IGBT电压、短路电流，记录波形参数值，并存储波形；
杂散电感测试、短路测试不满足要求则需要需重新调整驱动板电气参数，进行测试，直至选出合适的驱动板电气参数使得所有供应商IGBT满足要求。
3.根据权利要求2所述的大功率IGBT适配方法，其特征在于适配试验过程中还包括并联IGBT均流试验，并联IGBT均流试验的过程为：
适配功率模块如为双管并联的四象限整流模块，将并联的上桥臂和下桥臂IGBT进行均流对比；将功率模块在低压、高压等级下进行测试，采集门极电压Vge、IGBT电压、并联IGBT各个电流，观察并联IGBT均流情况，记录波形参数值及并存储波形；
相应的适配参数分析中还包括：F.四象限并管的IGBT均流要求：△I＜5%*I；△I:并联电流最大差值, I:单只IGBT二次关断电流。
4.根据权利要求3所述的大功率IGBT适配方法，其特征在于还包括验证试验过程，验证试验过程具体包括以下步骤：
（1）开关能力验证
进行常温、低温、高温下的双脉冲测试，验证适配合适电气参数的驱动板使得IGBT在极限温度下均可靠工作；
（2）短路保护验证
进行常温、低温、高温下的短路保护测试，验证适配合适电气参数的驱动板在极限温度下对IGBT发生短路故障均可靠保护；
（3）温升试验
温升试验验证IGBT的驱动匹配参数合理，IGBT在变流系统中是否可靠工作；各部件的最大温度不能超过最大允许温度，如若不满足上述要求，需重新调整驱动参数，
（4）接地保护试验
驱动板基于驱动核的适配功率模块需随变流器完成接地保护试验，包括中间直流回路接地保护试验、四象限输入侧接地保护试验、牵引逆变器输出侧接地保护试验，在接地保护试验过程中，TCU应报出相应接地故障，而非与驱动相关的硬件故障，若报出驱动相关的硬件故障，需进行RC参数调整，进行短路试验和接地保护试验。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的大功率IGBT适配方法，其特征在于适配试验过程进行试验时，在测试相的“+”和“-”端连接可调电压源和支撑电容。
6.根据权利要求4所述的大功率IGBT适配方法，其特征在于开关能力验证和短路保护验证中低温为-40℃，高温为+70℃。
7.根据权利要求4所述的大功率IGBT适配方法，其特征在于驱动板电气参数在调整时，以第一供应商IGBT技术参数为准进行调整，便于统型。
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