IGBT短路测试方法详细讲解.docx

1、IGBT短路测试方法详细讲解IGBT短路测试方法详解在开发电力电子装置的过程中，我们需要做很多的测试，但是短路测试常常容易被忽 略，或者虽然对装置实施了短路测试，但是实际上并不彻底和充分。下面2种情况比 较常见：1.没有实施短路测试,a.因为觉得这个实验风险太大,容易炸管子,损失太大；b.觉得短路时电流极大”很恐怖;2.实施了短路测试，但测试标准t匕较简单,对短路行为的细节没有进行观察本文将详细介绍正确的,完整的短路测试方法,及判断标准。短路的定义（1）:桥曇（直通）命名为一类短路硬件失效或软件失效短路回路中的电感量很小（IoonH级） VCE Sat 检测桥臂间短路（大电感短路）命名为二类短

2、路相间短路或相对1也短路短路回路中的电感量稍大（UH级的）可以使用VCeSat ,也可以使用霍尔,根据电流变化率来定这类短路的回路中的电感 量是不确定的类短路测试的实施方法一：下图为实施一类短路测试时的示意图。电网电压经过调压器，接触器，将母线电容电 压充到所需要的值,再断开接触器。上营IGBT的门极被关断,且上管用粗短的铜排进 行短路。对下管IGBT释放一个单脉冲，直通就形成了。这就是一个典型的一类短路测 试。类短路测试的实施方法一的注意事项:该测试需要注意的事项：1.该测试的关注对象是电容组,母排，杂散电感,被测IGBT;2短路回路中的电感量很低，所以上管的短路排的电感量可以极影响测量的结

3、果,因 此绝不可忽视图中所示”粗短铜排的长短和粗细；3.短路测试的能量全部来自母排电容组，通常来说，虽然短路电流很大，但是因为时 间极短，所以这个测试所消耗的能量很小，实验前后电容上的电压不会有明显变化；4.上管IGBT是被一直关断的，但是这个器件不可或缺,因为下管被关断后，短路电 流还需要由上管二极管续流；5.该测试需要测量三个物理量,分别是,下管的VCe ,Vge,及Ic ;6.电流探头需要测量图中IC的位置，而不是短铜排的电流,这两个位置的电流波形是 不同的；7.下管IGBT的脉冲需要严格控制，最开始实验可以使用IOUS ,然后逐步增加;8.坏境温度对实验结果有较大的影响，通常datas

4、heet给出的高结温的结果；对应用 者而言，常温实验是比较现实的；但低温时的短路测试会比较苛刻,如果系统规格有 低温要求时，是有必要进行测试的；9.在此实验前需要对直流母排的杂散电感有一定的评估f或者用双脉冲测试方法对 IGBT关断时的电压尖峰进行评估，以把握好短路时的电压尖峰,这个值可能会非常高; 实验步骤及方法：1.在弱电情况下,确认所发单脉冲的竟度；2.将母线电压调至2030V ,发送一个单脉冲,此时也会发生短路,会有一定的电流, 利用此步骤确认电流探头的方向及其他各物理量测量正确,同时确认示波器能正确捕 捉该瞬间；这个步骤会比较安全；3.短路测试时,母线不宜过低,否则可能会见到一些奇异

5、的震荡；对于1200V的IGBT ,母线为 500V 起；1700V 的 IGBT ,母线为 700V 起；3300V 的 IGBT , IOOOV 起；4.母线加到额定点，将进线接触器断开,放出单脉冲,装置会发出咚的一声响， 确认示波器捕捉到该时刻；5.通常来说,如果一切都设置正确的话,短路测试是很容易成功的，但也可能由于某 些细节没有处理好，存在一定的几率，该测试会失败一这个IGBT会失效,并将电 容的能量全部放掉,般不会爆炸得很厉害；6.第一次发IOUS的脉冲实际上是一种尝试性测试，其目的是，在尽量低风险的情况下，对设备的短路性能进行最初步的摸底；7.如果第一次IOUS测试已经发现波形有

6、问题，则需要整改;8.如果第一次IOUS测试发现IGB没有发生退饱和现象f则可能意味看短路回路电感 量太大,需要整改；9.如果第一次IOUS测试发现波形正常,可以脉冲延长至12us ,再做，再延长到 15us ,再做,如果发现动器釋放出来的脉冲不再增长，则意味看驱动器对IGBT进 行了保护，否则,意味看驱动器保护电路设置有问题，需要整改；对结果的评判(1) 下图为某一个测试结果，1.用电流的上升率di/dt求出短路回路中的全部电感量，再减去之前测出的杂散电感, 就能得到插入的铜排的感量；2.关注短路电流的最高值，与datasheet中标注的值进行比较，是否过高，电流是否 有震荡；3.从IGBT

7、退饱和算起,至电流被关断,期间的时间是否控制在IOUS ,这个条件是不 可以妥协的；某品牌1500A/3300V的IGBT的一类短路测试，Vde二220OV , Tj=25oC ,CONCEPT瑞士实验室红线：IC蓝线:VCe绿线：Vge4.短路电流的峰值与门极钳位电路有很大的关系，如果门极钳位性能不好，短路电流 峰值会很高；5.关注VCe电压，需要多久才退饱和，在关断时刻时，Vce电压尖峰有多高，是否存 在危险,有源钳位是否动作；6.门极电压的评判需要比较谨慎，因为这个测试di/dt及du/dt都很大，门极探头很 容易测不准某品牌1500A/3300V的IGBT的一类短路测试，Vde二220

8、OV , Tj=25oC ,CONCEPT瑞士实验室红线：IC蓝线:VCe绿线：Vge另一 IGBT的测试结果：下图是另外一个1700V的IGBT的一类短路测试结果。这个IGBT的速度t匕较快，因此VCe开始先下降，然后IGBT才发生退饱和,VCe才上 升流母线。不同的品牌,代数，电压等级,电流等级的IGBT其短路行为会有差别，不过本质是 相同的。某品牌450A/1700V的IGBT的一类短。路测试，Vdc二 1200V , Tj二25C ,CONCEPT瑞士实验室红线：Vge蓝线：VCe黄线：IC存在问题的波形:下图是一个在真实装置开发中有问题的结果，如果不做调整这个IGBT会面临较大风险。

9、下图是同样的装置经过调整，达到了理想的实验结果。HIHIIHK9BSSSHIHHH S OO VO 2SQ Vp oos5.976OoUSSOOlM农/秒10k O * 丫 7 9月 20115. IO V Xl 8： 17： 29门极钳位(gate ClamPing )功能的测试：在短路测试中，电流的形状与门极钳位电路的性能密切相关，而门极钳位的功能只有 在这个时候才能体现出来。由于很多人都不太了解IGBT的短路行为f或者是没有深入 测试设备的短路性能,因此，导致了对门极钳位电路的不重视。门极钳位电路出现的 原因是IGBT存在米勒电容,在IGBT短路时,米勒电容会影响门极电压，导致短路电 流

10、激增,使IGBT承担风险。越大容量的IGBT ,米勒效应越强，门极钳位电路越重要。差的门极钳位的结果：下图为某型号2片1500A/3300V并联的短路测试波形，使用门极和发射极间的TVS 逬行门极钳位，如下图示。母线电压为2200V ,实验结果显示，IGBT的电流峰值为13.36kACHl,2 : VgeCH3 4 : VCe好的门极钳位的结果：在上页的基础上,完全相同的硬件设置,只是修改了门极钳位电路。用下图所示的门 极钳位电路。_类短路测试的实施方法二下图为实施一类短路测试的另外一种方法。给上营IGBT驱动器一个常高信号，使上管 保捋开通，再给下管发单脉冲。这个实验的优点是”确保短路回路中

11、的电感量就是直 流母线的杂散电感,足够低。1.在前文介绍的短路测试方法一中,有一个缺点,如果插入的短路电缆没有控制好， 感量过大,会导致进入了二类短路;2.在并联的情形下做短路测试方法一，如果并联的桥臂中插入的感量不一致，不对称, 非常容易导致炸管；3.短路测试方法二中,短路回路的电感量非常稳定,就等于电容,母排,IGBT模块的 杂散电感之和f短路电流变化率很高,轻易就能达到5000Aus的水平;4.在这个实验中,短路脉冲的竞度必须翎空制住,从窄至宽慢慢放开；5.这个实验中，放出单脉冲的那只IGBT总是会先退出饱和区；二类短路测试方法：在实际运行的机器中,二类短路是比较容易遇到的短路类型，例如

12、逆变器在拖动电机 时,电机定子侧短路，此时就是二类短路。对这种短路的测试方法是在短路回路中插 入某一数值的感量，然后观察其短路行为。波形右图所示为二类短路的测试波形，IGBT导通后，首先逬入饱和导通，然后随看电流的 增加，当电流到达IGBT的退饱和点时，IGBT电压迅速上升。这标志看IGBT退出了 饱和区。然后驱动器经过定时后，关断IGBTo当短路回路中的电感量继续增大时，就会变成过流。过流的特征是:1.电流斜率较低,霍尔器件能侦测到；2.电流一定会流过桥臂输出端;因此,霍尔元件就是过流保护电路的关键元器件。关于霍尔的动态性能,有2个参数 是最重要的：1.di/dt跟随精度2.响应时间下图摘自

13、某霍尔的datasheet :tr 响应时间 3 go % of p p* IOo霍尔元件的关键性能指标:用双脉冲测试方法，把IGBT的电流测出来并显示在示波器上,并以此为参考。将霍尔 的输出信号,经过系统的滤波后，也放在示波器上。观察所检测的信号是否能及时并 准确地跟随被测电流。霍尔的响应时间通常在IUS以，对于过流保护这项功能来说f已经足够快了，只要系 统传输这个信号时,不要过分的插入惯性坏节,这个响应时间是足够的。霍尔的电流 跟随精度通常能达到50Aus ,或者100Aus ,这个水平也是很快的了 ,通常过流现电流坏的带竞对系统的贡献：在电力电子系统中f控制对象总是某个或者某几个物理量,其中,电流坏是最重要的 控制环路。电流环通常是坏，它具有带宽高,速度快，动态响应快的特点。因为电流是由电感量限制的,所以电感量越低,电流的变化速度就越高,电流坏如 果要把握住这个电流,就需要更高的带宽。可以这样说,控制系统的电流坏带宽越高，系统对电流的把控能力就越强,在遇到过 流现象时,系统会越早知道,并估攵出反应。所以,建议将电流坏的带宽做高些,以便 系统能更好的把控电流。德意志工业分享！