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摘要：IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，为世界公认的电力电子第三次技术革命的代表性产品，具有高频率，高电压，大电流，易于开关等优良性能。IGBT模块是由IGBT与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品。随着节能环保等理念的推进，此类产品在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。应用产品如风力发电变频器、光伏逆变器、轨道交通牵引变流器、电动汽车电机控制及充放电控制等。
关键词：大功率；IGBT模块；驱动电路
引言
随着轨道交通事业的飞速发展，以高压大功率IGBT模块为核心的电能变换装置在轨道交通领域得到了较为广泛的应用。由于IGBT模块工作电压高、功率大，在快速开关状态下会对外产生严重的电磁干扰，严重影响周围电子设备的正常工作。从研究电磁兼容性的角度，进行电磁辐射和干扰的仿真分析主要是为了研究辐射干扰对外产生的大小、机理及耦合路径并研究设计抑制干扰的措施。
1、电动车用大功率IGBT模块测试方案
以新能源汽车应用IGBT模块为例，电动控制系统的IGBT模块成本约占整车成本10%，车载空调控制系统及充电系统同样用到IGBT模块。IGBT的芯片研发、模块封装、模块应用都需要有高性能的测试设备来保证产品质量。艾德克斯电子致力于“功率电子”产品为核心的产业测试解决方案的研究，也为IGBT模块提供大功率高精度测试方案。图1、图2分别显示了典型IGBT的栅极驱动电路和基于艾德克斯的设备测试方案的示意图。如图1所示，IGBT的端子为C：集电极、G：栅极、E：发射极，一般在G和E之间接入-15V~+15V范围间电压，驱动IGBT关导通或关断通过正负电压的交替，实现IGBT的导通和关断控制。如图2所示，电动车用IGBT模块常用的典型型号为650V、550A的模块，其测试项目，主要包括额定值测试、特性测试、耐久性及可靠性测试等。在额定值测试中，我们可以选用艾德克斯IT6500D、IT8900、IT6432等设备完成测试。具体测试阐述如下：
图2 基于艾德克斯设备的测试方案示意图
集电极-发射极截止电流ICES测试：其中，IT6500D系列是宽范围大功率直流电源，功率高达30kW,电压电流输出高达1000V、1200A，支持CV\CC\CW模式下上升下降时间可调，具有高分辨率及高精度，模块化设计在大功率应用中更加稳定。的集电极-发射极截止电流ICES测试连接图。测试条件：在VCE=0V，VGE=20V，Tvj=25℃的条件下，测试Iges电流。推荐设备：IT6432。
栅极-发射极阈值电压VGE（th）测试：测试条件：将C和E之间短接，从零开始逐渐增加栅极-发射极（GE）间的电压，当检测到集电极电流达到规定13mA，记录此时的VGE值。测试设备：IT6432。测试条件：由电压源对被测器件施加规定15V电压；调节集电极-发射极电流至规定值（Ic=550A），这时相对栅极脉冲稳定部分的集电极-发射极电压即为集电极-发射极饱和电压值。
2、试验平台的搭建
2.1、双脉冲测试基本电路
如图3所示，电动汽车常用的单个IGBT模块由VT1和VT2组成半桥电路。在测试过程中，首先用直流高压电源对电容进行充电，然后对VT1的门极给定电压-8V，使VT1保持关断状态，对VT2的门极施加上图3所示的Uge+15V双脉冲信号，使整个半桥电路实现开通1、关断1、开通2、关断2过程，重点测量关断1、开通2中的波形数据，对比测试IGBT模块的数据手册，分析出IGBT模块及其驱动电路的开关特性。本次双脉冲测试的IGBT模块为Vincotech系列A0-VS122pa450M7-L758F70型号，该模块集电极-发射极电压Uce最大为1200V，集电极最大连续电流450A，栅极-发射极电压Uge范围为±20V（超过此电压会导致栅极-发射极SiO2绝缘损坏或者可靠性下降，12V、10V等过低的门极电压会导致集电极过大的损耗导致元件损坏）。测试使用的驱动电路基于1ED020I12-FA2单通道隔离驱动芯片设计，正电压控制采用数据手册推荐的+15V，为了防止0V关断过程中可能出现的寄生开通问题，设置负电压控制为-8V。
图3 基本电路图
2.2、双脉冲试验设备
试验所用的仪器如图2所示。包括ITECH高压直流电源（1000V／20A／6kW）、泰克数字示波器MDO3024、一个泰克高压差分探头（±1500V）、一个泰克低压差分探头（±100V）、PEM罗氏线圈CWTMini15B（量程3kA，电流变化率25kA／μs）、泰克任意波形发生器AFG3102C。其中高压差分探头用于测量集电极-发射极Uce，低压差分探头测量栅极-发射极Uge，罗氏线圈测试发射极电流Ic。
2.3、基本参数的测量
结合图4双脉冲测试波形和图6开通关断数据，测出VincotechIGBT模块在t1关断和t2开通时刻开通延迟td（on）、上升时间tr、关断时间td（off）、下降时间tf等基本参数。示波器可以跟踪并记录Uce（t）和Ic（t）的数值， 然后利用上述数学公式分别对开通和关断2个变量Uce（t）、Ic（t）相乘进行积分，积分结果的值就是开通能量Eon和损耗能量Eoff。
图4 双脉冲测试波形
结论
通过对IGBT模块的关键参数的精准测试，能够更好的掌握不同品牌IGBT的性能，验证实物与数据手册定义性能的一致性，为设计可靠的IGBT驱动电路提供数据依据。像Uge电压，其控制着IGBT的导通和关断，驱动电路与主回路的隔离电压，根据开通延迟td（on）、上升时间tr、关断时间td（off）、下降时间tf参数，设定驱动电路的开关频率等，这些都是设计驱动电路的关键。另外，IGBT模块的工作电压，电流，散热及保护电路设计同样重要。性能良好的驱动电路可以使工作在理想的开关状态，而保护电路可以使在发生过压、过流等故障时，及时关断，从而保护。因此，驱动电路是应用技术中非常重要的部分。
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论文作者:张红兵
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/12
标签：发射极论文; 电压论文; 测试论文; 模块论文; 集电极论文; 栅极论文; 电路论文; 《防护工程》2018年第36期论文;