IGBT开关特性测试系统及瞬态特性分析

史业照，郭 斌,2，郑永军

(1.中国计量大学计量测试工程学院，浙江杭州 310018；2.杭州沃镭智能科技股份有限公司，浙江杭州 310018)

0 引言

近年来，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)得到了越来越广泛的应用，并在高输入阻抗和低导通压降方面，具有其他半导体无法比拟的巨大优势。另一方面，IGBT作为能量转换和传输的核心器件，为系统提供了稳定性。但同时，IGBT模块的可靠性也是电力电子应用中的一个重要问题。为了保证系统的安全稳定运行，对IGBT模块进行测试，有助于全面了解IGBT在不同工作条件下的动态开关特性[1-3]。器件的开关特性直接决定了开关损耗，而开关损耗制约能量转换和传输器件的工作效率。IGBT模块开通、关断过程中的di/dt和du/dt会引起过电流、过电压以及电磁干扰等问题。另外，杂散电感对电力电子器件的工作特性也有着重要的影响。随着IGBT模块开关频率和应用功率水平的提高，IGBT模块开关瞬态过程中的回路杂散电感和模块寄生电感会引起更高的电压峰值，从而使IGBT模块的电压应力和损耗增大，甚至出现过电压击穿和热击穿发生。因此，IGBT模块开关特性的测试是非常重要且有意义的[4-6]。

1 IGBT模块开关特性测试系统

1.1 总体设计

本文设计并搭建一套基于LabVIEW的IGBT模块开关特性测试系统，该系统通过LabVIEW人机交互界面进行测试参数设置，自动测试并记录IGBT模块在不同参数测试条件下的开通、关断波形。该测试系统由上位机软件LabVIEW、控制板卡NI PCIE-7841、驱动器2SP0320T、高压直流电源、示波器及测试电路6部分组成，系统框图见图1。其中LabVIEW负责测试工况的设置，测试指令的发送以及测试数据的存储；高压直流电源负责提供直流电压，给测试电路电容组充电；NI PCIE-7841控制板卡负责驱动参数的设置；2SP0320T驱动器负责测试指令的实施；而示波器负责波形的采集。

图1 测试系统框图

1.2 测试系统工作原理

PCIE-7841控制板卡具有可编程FPGA功能，可以实现高精度定时控制，控制板卡直接插在工控机的PCIE插槽中，通过LabVIEW中的FPGA编程模块对其进行脉冲的自定义编程，实现高精度双脉冲的灵活发送。2SP0320T驱动器包含最优化且安全驱动IGBT模块的所有元件及功能：有源钳位二极管(关断时提供过压保护)、VCE检测(短路保护)等。通过LabVIEW人机交互页面设置双脉冲时间，通过PCIE-7841和2SP0320T给IGBT模块发送+15 V/-10 V的双脉冲。

如图2(a)所示，系统的测试电路为典型的双脉冲测试电路，主要目的是评估IGBT模块的功能并获得开关参数特性。IGBT1和IGBT2为2个相同的IGBT，构成模块内部的半桥结构。IGBT2为待测试件，IGBT1加-15 V的栅极电压，因此在整个测试过程中始终处于关断状态。图2(b)为测试电路的双脉冲时序，首先，t0时刻给栅极第一个脉冲信号打开IGBT2，通过开关IGBT2使电感电流IL充电至所需测试的电流水平I1，并可以在t1时刻捕捉其关断特性。从t1到t2时刻，器件保持关闭，电感电流通过IGBT1的二极管续流。然后，在t2时刻给栅极第二个脉冲信号，IGBT2被重新打开，并可以在t2时刻捕捉与关断情况十分相似的导通特性[7-8]。最后，当IGBT2在t3时刻关闭时，整个双脉冲测试过程完成。

(a)测试电路示意图

(b)双脉冲时序图2 开关特性测试电路及双脉冲时序

1.3 电容组和负载电感的匹配设计

负载电感和电容组的量值影响电感的电流上升率和电容组的电压下跌量。测试时电容组对负载电感充电，电感越小，电容越大，则电容组的电压下跌越小。但若负载电感过小，在进行高压小电流测试时，电流的充电脉冲时间过短，不易控制；若负载电感过大，电流的充电脉冲时间过长，损耗增大[9]。三者之间关系的表示如下：

(1)

式中：Lload为负载电感；IL为电感电流；Cd为电容组的容值；V为测试时的电容组电压；ΔV为下跌电压。

对于额定电压为Vrating的被测器件IGBT模块，为保证IGBT模块的安全，最大试验电压Vmax不得超过80%Vrating。为了确保在最大电流Imax最大条件下的Vmax不超过80%，考虑到试验要求的Lload和Cd的限制条件可通过下式确定[10]：

(2)

(3)

经推导得到式(3)，测试平台的电路特性阻抗λ=Lload/Cd也可由式(3)推导出，如下所示：

(4)

Lload和Cd的选择与所需的电压和电流实验条件有关。只要Lload和Cd不变，随实验条件的变化就可以确定双脉冲的持续时间。

2 IGBT开关瞬态分析及优化

2.1 IGBT开关特性分析

利用图1搭建好的测试系统，对IGBT模块的开关特性进行双脉冲测试，测试波形由示波器配合高压差分隔离探头和罗氏线圈进行采集。测试结果如图3所示，在t0时刻开始进行双脉冲测试，t1和t3时刻为其关断瞬间，而t2时刻为其导通瞬间。由于测试回路中存在杂散电感，导致IGBT开关瞬态过程中产生较大的电流及电压过冲。进一步分析可知，栅极驱动电压UGE在开关瞬态过程中出现振荡，而集电极电压UCE在第二个关断时刻t3的电压过冲较大，过冲电压ΔV为336 V。忽略续流二极管导通压降，关断过冲电压可由下式表示：

图3 测试曲线

(5)

式中：if为关断时的下降电流；Lloop为测试回路的杂散电感。

在IGBT导通阶段，会有较大的反向恢复电流，导致IGBT导通过后出现较大的电流过冲[11]。此时，IGBT的导通过程中的电流过冲可表示为

(6)

式中：dio/dt为导通阶段达到稳态电流时的电流变化率；CF=CD+CP，CD为续流二极管结电容，CP为负载电感中的杂散电容。

2.2 仿真分析

为探究测试回路中杂散电感对开关过程中电压过冲的影响，本文采用Saber仿真软件进行电路仿真[12]，仿真的时间步长设置为0.1 μs，仿真电路见图4。通过改变测试回路总杂散电感Lloop的感值大小，分析并对比杂散电感对IGBT开关特性的影响。图5所示的仿真波形表示了集电极电压Vce和时间t的关系，展示了在300 V工况下不同回路杂散电感值对开关瞬态过程中电压过冲的影响。显然，回路杂散电感越大，关断时刻的电压过冲越大。

图4 Saber仿真电路

图5 仿真波形

2.3 杂散电感优化方法

由仿真结果可知，杂散电感和过冲电压成正比关系。针对测试回路的杂散电感，整体分析并通过阻抗测量仪测量测试回路的杂散电感，测试结果是电容组的杂散电感较大。测试系统的电容组是通过铜排并联连接的，测量单个电容和铜排的杂散电感都较大。假设测试回路中的线路杂散电感固定，而IGBT模块中的杂散电感与其封装工艺有关，也可视其为固定值，唯一可控的是优化电容组的杂散电感。综上分析，选购杂散电感参数更小的电容EPCOS，并定制低杂散电感的叠层母排，使高压电容组的杂散电感尽可能小，以减小开关瞬态过程中产生的电压过冲。图6为定制的叠层母排。

图6 定制的叠层母排

3 实验验证

建立了基于LabVIEW的IGBT开关特性测试平台，见图7。实验在室温下进行，充电电容为EPCOS铝电解电容，容值为6 800 μF，负载电感为400 μH，采用IGBT模块中的二极管作为续流二极管，IGBT模块采用FF1400R121P4，驱动器模块采用2SP0320T。测试示波器采用InfiniiVsion DSOX4034A，栅极电压UGE的测量采用示波器配套的普通电压探头；集电极-发射极电压测量采用高压差分探头PT-5150，电流传感器采用罗氏线圈TRCP3000，用来测量IGBT模块集电极电流IC。所有探头在试验前均已校准。IGBT模块的测试流程如图8所示。

图7 测试试验台

图8 测试流程

通过对测试回路中杂散电感的优化设计，采用低杂散电感的电容和叠层母排。而栅极电压在探针测量时引入了导线的杂散电感，通过优化结构布局将导线部分去除。优化后的测试回路如图9所示。测试过程中IGBT模块的栅极电压UGE保持为+15 V/-10 V的双脉冲，电容组电压为300 V。通过示波器波形曲线可知，第二次关断尖峰电压为350 V，过冲电压ΔV仅为50 V，相比杂散电感优化前的测试，过冲电压大大减小。同时，栅极导通、关断时的振荡也大大减小。

图9 优化后测试波形曲线

4 结束语

本文分析了IGBT模块开关瞬态过程，并运用Saber电路仿真软件进行了仿真分析。通过改变仿真电路中测试回路杂散电感值的大小，对比IGBT模块开关过程的仿真波形曲线，揭示了杂散电感对关断电压过冲的影响。然后，对测试回路中的杂散电感参数进行了优化，主要是对电容组的杂散电感进行优化。最后，以IGBT模块FF1400R121P4为例，通过搭建的IGBT模块开关特性测试系统进行验证，相比杂散电感优化前的测试，过冲电压同比减少约85%，对于IGBT模块的测试有一定的指导意义。