摘要：大功率電氣傳動(dòng)裝置通常采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，需要對(duì)IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行全面、深入的測(cè)試，從而保證系統(tǒng)工作的可靠性。本文闡述了針對(duì)大功率電氣傳動(dòng)裝置中IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路的主要測(cè)試內(nèi)容及方法，經(jīng)過多種大功率電氣傳動(dòng)裝置的驗(yàn)證，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1引言

在功率等級(jí)達(dá)到幾百千瓦乃至幾兆瓦的電氣傳動(dòng)裝置（如大功率變頻器及風(fēng)電變流器等）中，通常選用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。IGBT選型及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性有著很大的影響。

在電氣傳動(dòng)裝置的開發(fā)過程中，需要對(duì)IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行全面、深入的測(cè)試，只有這樣才能保證系統(tǒng)工作的可靠性。本文闡述了針對(duì)大功率電氣傳動(dòng)裝置中IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路的主要測(cè)試內(nèi)容及方法。這些測(cè)試內(nèi)容和方法經(jīng)過多種大功率電氣傳動(dòng)裝置的驗(yàn)證，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

2基本測(cè)試單元及驅(qū)動(dòng)模式

為盡量保證測(cè)試條件、結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用的一致性，一般可選用電氣傳動(dòng)裝置中實(shí)際使用的功率模塊作為測(cè)試單元。本文的測(cè)試單元以IGBT半橋模塊為例。

 在電氣傳動(dòng)裝置的實(shí)際工作中，IGBT模塊通常處于高頻開關(guān)動(dòng)作狀態(tài)，因而針對(duì)測(cè)試單元的測(cè)試也應(yīng)充分體現(xiàn)這一特征，比如采用相同的開關(guān)頻率等。

常用的測(cè)試模式有雙脈沖驅(qū)動(dòng)測(cè)試法和多脈沖驅(qū)動(dòng)測(cè)試法。雙脈沖驅(qū)動(dòng)測(cè)試法如圖1所示，需分別是針對(duì)測(cè)試單元中的IGBT下管和IGBT上管進(jìn)行，這里需要注意負(fù)載電抗的接線方式，以及對(duì)非測(cè)試IGBT管驅(qū)動(dòng)的封鎖。

多脈沖驅(qū)動(dòng)測(cè)試法則可采用頻率、占空比固定的多個(gè)脈沖系列來驅(qū)動(dòng)，測(cè)試的結(jié)果通常如圖2所示。

3具體測(cè)試內(nèi)容及方法

3.1IGBT開通時(shí)刻的電流尖峰

通常IGBT在開通時(shí)還會(huì)流過對(duì)管續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流，從而導(dǎo)致在IGBT的電流上出現(xiàn)一個(gè)尖峰。在設(shè)計(jì)中，必須保證IGBT在正常工況下的最大開通電流處于IGBT的反向偏置安全工作區(qū)RBSOA之內(nèi)。

本項(xiàng)測(cè)試中的直流母線電壓選擇直流母線的額定工作電壓即可，因?yàn)槟妇€電壓對(duì)二極管的反向恢復(fù)電流的影響很小。

3.2IGBT關(guān)斷時(shí)刻的VCE尖峰

通常IGBT在關(guān)斷時(shí)，由于線路寄生電感的存在，其VCE會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰。在設(shè)計(jì)中，必須保證IGBT在可能出現(xiàn)的最高的母線工作電壓下關(guān)斷最大工作電流時(shí)，其VCE的峰值仍處于IGBT的RBSOA之內(nèi)。

圖4中，藍(lán)色波形為IGBT的VCE，測(cè)試中需記錄其在關(guān)斷過程中出現(xiàn)的尖峰值。

3.3開通/關(guān)斷延遲測(cè)試

 IGBT的上、下管中某一管的關(guān)斷與另一管的開通之間一般會(huì)插入一定的間隔時(shí)間（通常稱為死區(qū)時(shí)間），以防止上、下管直通。IGBT模塊上實(shí)際呈現(xiàn)的死區(qū)時(shí)間會(huì)受到驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳輸鏈路的影響。如果開通和關(guān)斷延遲差異較大，則會(huì)影響到IGBT的實(shí)際死區(qū)時(shí)間和工作可靠性。如圖5所示，對(duì)比控制器發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和IGBT端口的VGE驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別測(cè)定開通延時(shí)和關(guān)斷延時(shí)。通常要保證開通延遲時(shí)間與關(guān)斷延遲時(shí)間的一致型，比如延遲時(shí)間的差值不得超過死區(qū)時(shí)間的10%。

3.4上下管直通保護(hù)測(cè)試

IGBT上下管直通保護(hù)測(cè)試是針對(duì)橋式電路的一項(xiàng)重要測(cè)試，以評(píng)估系統(tǒng)在受到驅(qū)動(dòng)干擾時(shí)的抗擾性能。

 IGBT上下管直通保護(hù)測(cè)試通常需做兩類測(cè)試。一種測(cè)試方法如圖6（a）所示，可讓IGBT上管始終導(dǎo)通，在IGBT下管輸入一個(gè)12us的驅(qū)動(dòng)脈沖。在正常條件下，保護(hù)電路一般會(huì)在10us以內(nèi)實(shí)現(xiàn)保護(hù)，即使保護(hù)失敗，12us通常也不會(huì)損壞被測(cè)IGBT。另一種測(cè)試方法如圖6（b）所示，在IGBT上管和下管上同時(shí)輸入一個(gè)12us的驅(qū)動(dòng)脈沖，檢測(cè)保護(hù)電路是否有效。兩種測(cè)試方法下，驅(qū)動(dòng)電路都應(yīng)該在10us內(nèi)做出有效的保護(hù)。

圖7為采用圖6（a）的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行測(cè)試時(shí)的試驗(yàn)波形?？梢姳Ｗo(hù)電路在10us以內(nèi)關(guān)斷了IGBT，且有大約1us的軟關(guān)斷時(shí)間。軟關(guān)斷過程中，上管VGE在1us內(nèi)從15V降到12.5V。

3.5過流保護(hù)測(cè)試

盡管在電氣傳動(dòng)裝置的實(shí)際使用過程中，系統(tǒng)的最大工作電流比過流保護(hù)點(diǎn)低不少，過流保護(hù)不會(huì)被觸發(fā)，但過流保護(hù)功能的有效性仍然是電氣傳動(dòng)裝置安全運(yùn)行的關(guān)鍵。過流保護(hù)功能的測(cè)試可基于多脈沖驅(qū)動(dòng)測(cè)試法，在IGBT連續(xù)多次導(dǎo)通后，電流累計(jì)抬升可能達(dá)到過流保護(hù)點(diǎn)，從而觸發(fā)過流保護(hù)功能。

圖8為多脈沖驅(qū)動(dòng)測(cè)試下的相關(guān)波形，每個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度為20us。這里最后驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度明顯比前面的窄，是因?yàn)樵撁}沖引發(fā)IGBT開通后的電流觸發(fā)了IGBT的過流保護(hù)，驅(qū)動(dòng)電路自動(dòng)關(guān)斷了IGBT。

3.6驅(qū)動(dòng)電路上電/下電測(cè)試

驅(qū)動(dòng)電路上電測(cè)試主要是為了確認(rèn)系統(tǒng)在上電瞬間不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤觸發(fā)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。下電測(cè)試則主要是為了確認(rèn)裝置在正常工作條件下突然發(fā)生輔助電源掉電時(shí)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須進(jìn)入封鎖狀態(tài)。

如圖9所示，（a）為驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)VGE在系統(tǒng)上電及下電的瞬間波形，IGBT驅(qū)動(dòng)上不存在誤觸發(fā)的信號(hào)，且上電后還可建立驅(qū)動(dòng)的負(fù)壓。（b）模擬的是在IGBT驅(qū)動(dòng)端口一直接受驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的前提下，將驅(qū)動(dòng)電路的供電電源突然斷開，可以看到驅(qū)動(dòng)脈沖中的正電壓逐漸降低，且伴隨著負(fù)電壓，直到正電壓低于一定程度后，驅(qū)動(dòng)脈沖被封鎖，且負(fù)電壓能持續(xù)一段時(shí)間，確保系統(tǒng)安全關(guān)閉。

3.7有源鉗位支路測(cè)試

圖10所示的有源鉗位電路，主要用來鉗制IGBT在開關(guān)動(dòng)作過程中的VCE尖峰，通常在關(guān)斷大電流的工況下會(huì)觸發(fā)有源鉗位電路。測(cè)試時(shí)需主要關(guān)注VCE尖峰的數(shù)值是否在安全范圍內(nèi)，但是TVS管的損耗也必須考慮。通過測(cè)量電阻RF1兩端的電壓，結(jié)合其阻值即可計(jì)算出流過TVS管的電流，這樣可進(jìn)一步計(jì)算出其損耗。必須衡量該損耗在一個(gè)輸出電流的周期內(nèi)是否滿足TVS管的溫升要求。

3.8測(cè)試主要器件的溫升

在所有單板電路中，驅(qū)動(dòng)電路是最靠近IGBT模塊，因而承受著很高的環(huán)境溫度。如果系統(tǒng)允許的工作環(huán)境溫度達(dá)到55℃，則驅(qū)動(dòng)電路周圍的環(huán)境溫度通?？赡苓_(dá)到70℃。因而相關(guān)器件的工作溫度及溫升需要測(cè)試。

測(cè)試時(shí)可把IGBT模塊放在溫箱中，按照實(shí)際工作的開關(guān)頻率驅(qū)動(dòng)IGBT進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)。通常需重點(diǎn)關(guān)注光耦、驅(qū)動(dòng)變壓器等關(guān)鍵芯片和器件的溫度，用熱電偶粘點(diǎn)測(cè)量。電阻、電容等其它器件則可通過損耗理論計(jì)算加熱成像儀掃描的方式來確認(rèn)其是否工作在合理的溫度范圍內(nèi)。

4結(jié)論

本文闡述了大功率電氣傳動(dòng)裝置中IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路的主要測(cè)試內(nèi)容及方法。這些測(cè)試內(nèi)容和方法可較為全面、深入地模擬和評(píng)估IGBT模塊在各種工況下的工作性能和相關(guān)保護(hù)功能的有效性，這對(duì)于提升電氣傳動(dòng)裝置的運(yùn)行可靠性有著重要意義。這些測(cè)試內(nèi)容和方法經(jīng)過了禾望電氣多種大功率電氣傳動(dòng)裝置（含HD2000系列工程型變頻器）的開發(fā)及應(yīng)用驗(yàn)證，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。