IGBT模块电气参数测试及分析

梅　霜,李志刚,姚　芳,张亚玲

(河北工业大学 电气工程学院, 天津　300130)



·数理科学·

IGBT模块电气参数测试及分析

梅霜,李志刚,姚芳,张亚玲

(河北工业大学 电气工程学院, 天津300130)

针对不同集电极电流及开关频率下的开关过程设计并搭建了IGBT电气参数测试系统。试验测录了IGBT模块在开关过程中的电压、电流波形,对电压、电流波形进行数据处理,得到IGBT模块的开关时间和开关损耗;根据对IGBT模块的开关损耗进行分析,得到IGBT模块的开关损耗在随着集电极电流和开关频率变化的规律。

IGBT模块;开关波形;开通时间;关断时间;开通损耗;关断损耗

在新能源领域上,绝缘栅型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是应用非常广泛的器件。IGBT模块电气参数测试有助于了解IGBT的性能,便于使用。本文主要研究的电气参数有开通时间、关断时间、开通损耗和关断损耗。IGBT模块是功率器件,长时间工作会产生大量的热,这不仅会引起IGBT模块内部物理参数的改变,影响其正常工作,而且可能会使IGBT模块自身的温升过大,影响其工作寿命,甚至导致失效。包括IGBT在内的功率器件发热绝大部分是由器件的损耗引起的,功率器件本身对温度就比较敏感,在正常运行的情况下,由于其自身损耗引起的温升,对器件的可靠性影响很大。了解IGBT开关损耗情况可为下一步选择合适的散热系统、提高系统的可靠性奠定基础[1-2]。由此可见,对IGBT的开关损耗进行研究是非常必要的。

学术界对IGBT模块的开关损耗进行了广泛而深入的研究, 文献[3]对变频器中的IGBT的电压、 电流采用与温度有关的表达式进行描述, 计算开关损耗; 文献[4]采用对原有损耗计算软件加以修正系数的方法计算开关损耗;文献[5]对IGBT开关过程电压、电流进行分段拟合,利用基于Stateflow工具箱的损耗模型计算开关损耗。但是现有IGBT模块开关损耗计算大都是发生在发电机或者逆变器系统中[6-10],这些系统中多个IGBT串联或并联运行,测量IGBT开关电压、电流结果可能会相互影响,因此,对单个IGBT模块开通、关断过程进行测试,以此获得开关损耗也是一项值得研究的内容。

本文设计测试IGBT模块开关波形的电路,得到IGBT开通、关断过程中的集-射集电压VCE、集电极电流IC的波形;设计测试IGBT开通、关断波形的试验方案,对试验结果进行处理,计算IGBT的开关损耗,并得到开关损耗随集电极电流和频率变化的趋势。

1　IGBT电气参数测试系统设计

设计IGBT电气参数测试系统的主电路如图1所示。电路中在直流电源两侧并联两个电容C1,C2,得到稳定的60V直流电压。其中,由于电容两端电压不能突变,一方面电源并联大电容可以通过滤除低频干扰，使输出电压更加平滑、稳定;另一方面电源并联小电容可以通过滤除高频波,使输出电压纯净。一般情况下并联电容容量越小,产生谐振频率越高,可滤除的干扰频率也就越高。将大小两个电容并联,以获得更大的滤波频段。根据经验选取C1为8pF,C2为2 200μF。

其次,为了能够改变流过IGBT模块的集电极电流的大小,设计多个继电器(KT)来控制并入电路的散热铝壳电阻数量,选取R=40Ω,即当继

电器接通个数为n时,稳态时流过IGBT模块的集电极电流为

(1)

除此之外,还设计驱动电路:采用信号发生器控制为方波,占空比保持50%,并根据需要调节频率,采用集成芯片提供门级开通电压VG(on)=+15V,关断电压VG(off)=-8V;设计负载控制电路:通过继电器合闸,达林顿管起作用,使发光二极管导通,发光二极管亮的数目就是开通的继电器的数目;设计电气性能参数采集电路:试验中使用Aglilent电压及电流探头相互配合,同时监测IGBT模块的开断状态下的电压、电流波形,经过示波器对数据进行存储,得到在不同状况下,IGBT模块的开通、关断下的电压、电流动态波形。

图1　 IGBT模块电气参数测试系统的主电路Fig.1　The main circuit of IGBT switching loss test system

设计IGBT模块电气参数测试试验方案如表1所示。试验期间保持环境温度20℃。

表1　IGBT模块电气参数测试试验设计方案

2　IGBT电气参数测试结果

本试验采用MMG75SR120B的IGBT模块进行试验,得到十六组开通电压、电流,关断电压、电流的波形，经过处理，通过双Y轴曲线进行描述出来,如图2，3所示为Ic=21A,fsw=10kHz时，开通和关断电压、电流的波形图。

图2　开通时电压、电流波形图Fig.2　Turn-on voltage and current waveform figure

图3　关断时电压、电流波形图Fig.3　Turn-off voltage and current waveform figure

3　IGBT电气参数测试结果分析

对IGBT模块电气参数测试所得数据进行处理,提取每个测试点的开关特性参数:开通时间、关断时间、开通损耗和关断损耗。

(2)

(3)

其中:Pon为开通损耗,Poff为关断损耗,ton为开通时间,toff为关断时间,Vce为集射极间电压,IC为集电极电流。

由于实际测试所得IGBT开通、关断波形与理论波形有一定差距，并且外电路的振荡特性导致IGBT开关特性的波动性,因此定义此IGBT模块开通时间、关断时间如图3所示。经过MATLAB编程获取每组试验IGBT模块的开通时间和关断时间，如图4所示。

图4　IGBT模块开关时间三维变化趋势图Fig.4　Switching time of IGBT module three dimensional change trend chart

由图4可知:IGBT模块的开通时间随着集电极电流和开关频率的增大变化不明显；关断时间随着集电极电流的增大变化也不明显,但随着开关频率的增大近似呈线性增长。

根据上述式(2)和式(3)得到每次试验的开通损耗和关断损耗,并对其进行Matlab数据处理,画出IGBT模块开通损耗、关断损耗随着开关频率和集电极电流的增大而变化的曲线图，如图5和图6所示，曲线上的圆圈代表实际试验得到的损耗值，采用3次多项式插值对曲线进行插值，获得的曲线精度高、平滑性好。

图5　IGBT模块开通损耗变化趋势图Fig.5　Turn-on loss of IGBT module change trend chart

由图5可见，在IGBT模块集电极电流一定的情况下,其开通损耗随着开关频率的增大呈线性增加。在IGBT模块开关频率一定的情况下,其开通损耗亦随着集电极电流的增大近似呈线性增加。

利用插值的方法可以得到开通损耗的模型

Eon=aonIC+bonf+con。

(4)

式(4)中aon，bon，con分别为开通损耗的系数，可以通过数据拟合得到。

由图6可见，在IGBT模块集电极电流一定的情况下,其关断损耗随着开关频率的增大都近似呈二次曲线增加;在IGBT模块开关频率一定的情况下,其关断损耗亦随着工作频率的增大呈线性增加。

利用插值的方法可以得到关断损耗的模型为

(5)

式中aoff，boff，coff，doff分别为关断损耗的系数，可以通过数据拟合得到。

图6　IGBT模块关断损耗变化趋势图Fig.6　Turn-off loss of IGBT module change trend chart

4　结　论

本文设计并搭建了IGBT模块电气参数测试系统,通过分析开关波形获取了IGBT模块开通时间、关断时间、开通损耗、关断损耗等电气参数,并得到以下结论:

1)IGBT模块的开通时间随着集电极电流和开关频率的增大变化不大;关断时间随着集电极电流的增大变化也不明显,但随着开关频率的增大近似呈线性增长。

2)建立IGBT模块新的损耗模型。在IGBT模块集电极电流一定的情况下,其开通损耗随着开关频率的增大近似呈线性增加,其关断损耗随着开关频率的增大近似呈二次曲线增加;在IGBT模块开关频率一定的情况下,其开通损耗和关断损耗都随着集电极电流的增大呈线性增加。

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(编辑李静)

The test and analysis on switching loss of IGBT module

MEI Shuang, LI Zhi-gang, YAO Fang, ZHANG Ya-ling

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130， China)

According to the performance characteristic of IGBT module, depending on collector current and switching frequency, the test system on electrical parameter of IGBT module was designed and built.Through the experiments, IGBT module′s voltage and current during switching process were monitored. The switching time and loss of IGBT module were earned by dealt with the voltage and current waveforms by the software. On account of the analysis of the switching loss, the change rule of switching loss of IGBT module was obtained that with the increase of collector current and switching frequency.

IGBT module; switching waveform; turn-on time; turn-off time; turn-on time loss; turn-off loss

2015-04-10

国家自然科学基金资助项目(51377044)；河北省科技计划基金资助项目(13214303D)

梅霜，女，江苏徐州人，从事电器可靠性研究。

TM93

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10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-02-006