王愛玲

（濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)寧 272037）

1 雙脈沖測(cè)試概述

IGBT是電力電子設(shè)備中的核心部件，一方面其工作特性直接決定了設(shè)備的工作性能，另一方面其驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)好壞對(duì)自身工作具有至關(guān)重要的影響[1,2]。雙脈沖測(cè)試被廣泛應(yīng)用于大功率IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及開關(guān)特性分析[3,4]。其測(cè)試電路如圖1所示，包括直流電源VDC、負(fù)載電感以及一組IGBT橋臂。通過對(duì)橋臂下管施加連續(xù)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖實(shí)現(xiàn)開關(guān)特性測(cè)試，其中第一個(gè)脈沖用于建立工作電流和測(cè)試關(guān)斷特性，第二個(gè)脈沖用于測(cè)試開通特性及二極管的反向恢復(fù)[5]。

圖1 雙脈沖測(cè)試電路圖

雙脈沖測(cè)試的主要用途包括以下4各方面。一是對(duì)比不同的IGBT的參數(shù)，如同一品牌不同系列產(chǎn)品的參數(shù)，或者是不同品牌的IGBT的性能。二是獲取IGBT開關(guān)過程中的主要參數(shù)，以評(píng)估驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)電阻數(shù)值是否合適評(píng)估、是否需要配吸收電路等。三是考量IGBT在變換器中工作時(shí)的表現(xiàn)，如二極管的反向恢復(fù)電流是否合適、關(guān)斷電壓尖峰是否合適以及開關(guān)過程中是否有震蕩等，四是計(jì)算IGBT開關(guān)損耗。

已有的關(guān)于雙脈沖測(cè)試的研究報(bào)道主要集中在該測(cè)試方法的原理、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，卻鮮有文獻(xiàn)報(bào)道雙脈沖測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)，特別是考慮溫度影響之后，如何實(shí)現(xiàn)在可調(diào)節(jié)的溫度下進(jìn)行雙脈沖測(cè)試實(shí)驗(yàn)[6]。為此，本文提出了一種溫控型雙脈沖測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)150 ℃的IGBT雙脈沖測(cè)試，以獲得器件在高溫環(huán)境下的開關(guān)特性及開關(guān)損耗等。IGBT實(shí)際運(yùn)行時(shí)，結(jié)溫也比較高，高溫測(cè)試對(duì)驅(qū)動(dòng)可靠性測(cè)試及驅(qū)動(dòng)損耗精確估算有重要意義。

2 負(fù)載電感設(shè)計(jì)

負(fù)載電感值選擇時(shí)需要考慮測(cè)試電路特征阻抗和電流建立最小時(shí)間兩個(gè)限制。

根據(jù)上述兩個(gè)限制條件可以給出負(fù)載電感的邊界值，由于單元中電容值都取得很大，因此測(cè)試電路特征阻抗可以忽略不計(jì)，考慮最小電流建立時(shí)間的影響。負(fù)載電感設(shè)計(jì)需要注意兩個(gè)問題，一是負(fù)載電感需要承受足夠的電壓，匝間絕緣和層間絕緣要加強(qiáng)。二是實(shí)驗(yàn)期望電感量在所測(cè)電流范圍內(nèi)都能保持一個(gè)相對(duì)恒定的數(shù)值，采用空芯繞制。

當(dāng)高度遠(yuǎn)大于內(nèi)徑時(shí)，空心電感設(shè)計(jì)公式為：

式中，a、b分別表示內(nèi)徑和高度；n為匝數(shù)。

負(fù)載電感現(xiàn)有兩種骨架可供選擇，均采用3 mm的絲包線，單層繞制，設(shè)計(jì)電感值為200 μH，并做對(duì)比如表1所示。

表1 電感骨架對(duì)比

可以發(fā)現(xiàn)，繞制同樣感值的電感，骨架I繞制的線圈要比骨架II少很多，因此采用骨架I。實(shí)際制作時(shí)，采用骨架I繞了74匝，理論電感值為200 μH，實(shí)測(cè)值為248.7 μH。

3 溫控平臺(tái)設(shè)計(jì)

溫控平臺(tái)主要用于對(duì)IGBT進(jìn)行高溫下的特性測(cè)試，要求可以加熱到150 ℃進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，以獲得器件在高溫環(huán)境下的開關(guān)特性及開關(guān)損耗等。高溫測(cè)試對(duì)單元穩(wěn)定性的提高有很大幫助。

平臺(tái)設(shè)計(jì)包括隔熱板、鑄鋁加熱板、溫控儀以及可變雜散電感4個(gè)主要部件。其中隔熱板要求絕緣、絕熱、阻燃，平臺(tái)中采用陶瓷地板。鑄鋁加熱板內(nèi)置加熱管，溫度可以加熱到150 ℃及以上，平臺(tái)中采用的加熱板溫度可以加熱到280 ℃。加熱板的設(shè)計(jì)依據(jù)主要是IGBT安裝孔的數(shù)目與位置，以及加熱板與溫控儀的連接點(diǎn)。溫控儀的溫度控制精度高（最好有反向PID控制），控制范圍可達(dá)180 ℃以上。本設(shè)計(jì)中，溫控儀選用了國(guó)產(chǎn)的XMTD-8411，配合10 A的國(guó)產(chǎn)固態(tài)繼電器進(jìn)行加熱功率控制?？勺冸s散電感部分根據(jù)不同單元的實(shí)測(cè)雜散電感值進(jìn)行雜散電感值的匹配。本設(shè)計(jì)中，可變雜散電感主要通過導(dǎo)線長(zhǎng)度來控制。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

基于本文的設(shè)計(jì)方法制作了一個(gè)溫控型雙脈沖測(cè)試平臺(tái)，并完成了CM100DY-34A的實(shí)驗(yàn)研究。通過多輪測(cè)試得出模塊在不同工作溫度下的開通能量Eon、關(guān)斷能量Eoff以及反向恢復(fù)能量Err，從而直觀地展現(xiàn)溫度對(duì)IGBT工作特性的影響。

實(shí)驗(yàn)中，每一輪的測(cè)試步驟如圖2所示。測(cè)試開始后先確認(rèn)母線電壓、工作溫度以及負(fù)載電流，接著確認(rèn)數(shù)據(jù)采集器是否就緒，然后進(jìn)行直流母線充電，在完成充電后發(fā)出雙脈沖，之后轉(zhuǎn)入負(fù)載電感放電。最后記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形，進(jìn)入下一輪測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。選定25 ℃、80 ℃以及125 ℃共3個(gè)工作溫度點(diǎn)，分別繪制Eon-Ic曲線、Eoff-Ic曲線以及Err-Ic曲線，結(jié)果分別如圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）所示。不難發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)IGBT的工作特性影響非常明顯。以Err為例，同樣100 A的工作電流下，125 ℃時(shí)的反向恢復(fù)能量為25 ℃下的250%左右。

圖2 雙脈沖測(cè)試順序

圖3 不同溫度下的開關(guān)能量曲線

5 結(jié) 論

本文提出了一種溫控型雙脈沖測(cè)試平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)給出了負(fù)載電感和溫控平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路。最后在CM100DY-34A模塊上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果展現(xiàn)了IGBT工作溫度對(duì)工作特性的顯著影響，這對(duì)IGBT特性評(píng)估與對(duì)比以及損耗估算等均具有較大參考意義。