IGBT短路测试方法详解.docx
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IGBT短路测试方法详解
IGBT短路测试方法详解
在开发电力电子装置得过程中,我们需要做很多得测试,但就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,但就是实际上并不彻底与充分。
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,但测试标准比较简单,对短路行为得细节没有进行观察
本文将详细介绍正确得,完整得短路测试方法,及判断标准。
ﻫ短路得定义
(1):
桥内短路(直通)
命名为“一类”短路
硬件失效或软件失效
短路回路中得电感量很小(100nH级)
VCEsat检测
桥臂间短路(大电感短路)
命名为“二类”短路
相间短路或相对地短路
短路回路中得电感量稍大(uH级得)
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得回路中得电感量就是不确定得
一类短路测试得实施方法一:
下图为实施一类短路测试时得示意图。
电网电压经过调压器,接触器,将母线电容电压充到所需要得值,再断开接触器。
上管IGBT得门极被关断,且上管用粗短得铜排进行短路。
对下管IGBT释放一个单脉冲,直通就形成了。
这就就是一个典型得一类短路测试。
一类短路测试得实施方法一得注意事项:
该测试需要注意得事项:
1、该测试得关注对象就是电容组,母排,杂散电感,被测IGBT;
2短路回路中得电感量很低,所以上管得短路排得电感量可以极大地影响测量得结果,因此绝不可忽视图中所示“粗短铜排”得长短与粗细;
3、短路测试得能量全部来自母排电容组,通常来说,虽然短路电流很大,但就是因为时间极短,所以这个测试所消耗得能量很小,实验前后电容上得电压不会有明显变化;
4、上管IGBT就是被一直关断得,但就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,分别就是,下管得Vce,Vge,及Ic;
6、电流探头需要测量图中Ic得位置,而不就是短铜排得电流,这两个位置得电流波形就是不同得;
7、 下管IGBT得脉冲需要严格控制,最开始实验可以使用10us,然后逐步增加;
8、环境温度对实验结果有较大得影响,通常datasheet给出得高结温得结果;对应用者而言,常温实验就是比较现实得;但低温时得短路测试会比较苛刻,如果系统规格有低温要求时,就是有必要进行测试得;
9、 在此实验前需要对直流母排得杂散电感有一定得评估,或者用双脉冲测试方法对IGBT关断时得电压尖峰进行评估,以把握好短路时得电压尖峰,这个值可能会非常高;
实验步骤及方法:
1、在弱电情况下,确认所发单脉冲得宽度;
2、将母线电压调至20~30V,发送一个单脉冲,此时也会发生短路,会有一定得电流,利用此步骤确认电流探头得方向及其她各物理量测量正确,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得震荡;对于1200V得IGBT,母线为500V起;1700V得IGBT,母线为700V起;3300V得IGBT,1000V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”得一声响,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得话,短路测试就是很容易成功得,但也可能由于某些细节没有处理好,存在一定得几率,该测试会失败——这个IGBT会失效,并将电容得能量全部放掉,一般不
会爆炸得很厉害;
6、 第一次发10us得脉冲实际上就是一种尝试性测试,其目得就是,在尽量低风险得情况下,对设备得短路性能进行最初步得摸底;
7、如果第一次10us测试已经发现波形有问题,则需要整改;
8、如果第一次10us测试发现IGB没有发生退饱与现象,则可能意味着短路回路电感量太大,需要整改;
9、 如果第一次10us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,如果发现驱动器释放出来得脉冲不再增长,则意味着驱动器对IGBT进行了保护,否则,意味着驱动器保护电路设置有问题,需要整改;
对结果得评判(1)
下图为某一个测试结果,
1、用电流得上升率di/dt求出短路回路中得全部电感量,再减去之前测出得杂散电感,就能得到插入得铜排得感量;
2、 关注短路电流得最高值,与datasheet中标注得值进行比较,就是否过高,电流就是否有震荡;
3、从IGBT退饱与算起,至电流被关断,期间得时间就是否控制在10us内,这个条件就是不可以妥协得;
某品牌1500A/3300V得IGBT得一类
短路测试,Vdc=2200V,Tj=25℃,
CONCEPT瑞士实验室
红线:
Ic
蓝线:
Vce
绿线:
Vge
4、短路电流得峰值与门极钳位电路有很大得关系,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,需要多久才退饱与,在关断时刻时,Vce电压尖峰有多高,就是否存在危险,有源钳位就是否动作;
6、门极电压得评判需要比较谨慎,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得IGBT得一类
短路测试,Vdc=2200V,Tj=25℃,
CONCEPT瑞士实验室
红线:
Ic
蓝线:
Vce
绿线:
Vge
另一个IGBT得测试结果:
下图就是另外一个1700V得IGBT得一类短路测试结果。
这个IGBT得速度比较快,因此Vce开始先下降,然后IGBT才发生退饱与,Vce才上升至直流母线。
不同得品牌,代数,电压等级,电流等级得IGBT 其短路行为会有差别,不过本质就是相同得。
某品牌450A/1700V得IGBT得一类短。
路测试,Vdc=1200V,Tj=25℃,
CONCEPT瑞士实验室
红线:
Vge
蓝线:
Vce
黄线:
Ic
存在问题得波形:
下图就是一个在真实装置开发中有问题得结果,如果不做调整这个IGBT会面临较大风险。
下图就是同样得装置经过调整,达到了理想得实验结果。
门极钳位(gate clamping)功能得测试:
在短路测试中,电流得形状与门极钳位电路得性能密切相关,而门极钳位得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得短路行为,或者就是没有深入测试设备得短路性能,因此,导致了对门极钳位电路得不重视。
门极钳位电路出现得原因就是IGBT存在米勒电容,在IGBT短路时,米勒电容会影响门极电压,导致短路电流激增,使IGBT承担风险。
越大容量得IGBT,米勒效应越强,门极钳位电路越重要。
差得门极钳位得结果:
下图为某型号2片1500A/3300V并联得短路测试波形,使用门极与发射极间得TVS进行门极钳位,如下图示。
母线电压为2200V,实验结果显示,
IGBT得电流峰值为13、36kA。
CH1,2:
Vge
CH34:
Vce
好得门极钳位得结果:
在上页得基础上,完全相同得硬件设置,只就是修改了门极钳位电路。
用下图所示得门极钳位电路。
一类短路测试得实施方法二
下图为实施一类短路测试得另外一种方法。
给上管IGBT驱动器一个常高信号,使上管保持开通,再给下管发单脉冲。
这个实验得优点就是,确保短路回路中得电感量就就是直流母线得杂散电感,足够低。
注意事项:
1、在前文介绍得短路测试方法一中,有一个缺点,如果插入得短路电缆没有控制好,感量过大,会导致进入了二类短路;
2、在并联得情形下做短路测试方法一,如果并联得桥臂中插入得感量不一致,不对称,非常容易导致炸管;
3、短路测试方法二中,短路回路得电感量非常稳定,就等于电容,母排,IGBT模块得杂散电感之与,短路电流变化率很高,轻易就能达到5000A/us得水平;
4、在这个实验中,短路脉冲得宽度必须被控制住,从窄至宽慢慢放开;
5、这个实验中,放出单脉冲得那只IGBT总就是会先退出饱与区;
二类短路测试方法:
在实际运行得机器中,二类短路就是比较容易遇到得短路类型,例如逆变器在拖动电机时,电机定子侧短路,此时就就是二类短路。
对这种短路得测试方法就是在短路回路中插入某一数值得感量,然后观察其短路行为。
波形
右图所示为二类短路得测试波形,IGBT导通后,首先进入饱与导通,然后随着电流得增加,当电流到达IGBT得退饱与点时,IGBT电压迅速上升。
这标志着IGBT退出了饱与区。
然后驱动器经过定
时后,关断IGBT。
过流保护功能得验证
当短路回路中得电感量继续增大时,就会变成过流。
过流得特征就是:
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,霍尔元件就就是过流保护电路得关键元器件。
关于霍尔得动态性能,有2个参数就是最重要得:
1、di/dt 跟随精度
2、响应时间
下图摘自某霍尔得datasheet:
霍尔元件得关键性能指标:
用双脉冲测试方法,把IGBT得电流测出来并显示在示波器上,并以此为参考。
将霍尔得输出信号,经过系统得滤波后,也放在示波器上。
观察所检测得信号就是否能及时并准确地跟随被测电流。
霍尔得响应时间通常在1us以内,对于过流保护这项功能来说,已经足够快了,只要系统传输这个信号时,不要过分得插入惯性环节,这个响应时间就是足够得。
霍尔得电流跟随精度通常能达到50A/us,或者100A/us,这个水平也就是很快得了,通常过流现象在时间上并不苛刻,IGBT完全能在几十或者几百us内耐受得住。
电流环得带宽对系统得贡献:
在电力电子系统中,控制对象总就是某个或者某几个物理量,其中,电流环就是最重要得控制环路。
电流环通常就是内环,它具有带宽高,速度快,动态响应快得特点
。
因为电流就是由电感量限制得,所以电感量越低,电流得变化速度就越高,电流环如果要把握住这个电流,就需要更高得带宽。
可以这样说,控制系统得电流环带宽越高,系统对电流得把控能力就越强,在遇到过流现象时,系统会越早知道,并做出反应。
所以,建议将电流环得带宽做高些,以便系统能更好得把控电流。
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