IGBT測試方法
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2021年第20期
2021年8月23日發(fā)布
IGBT測試方法
稿件來源：變頻技術研發(fā)部 杜祥威
導讀：IGBT是中大功率變頻器設備中的核心部件，它的好壞則直接影響變頻器能否正常工作。在實際的現場項目中，當變頻器出現故障不能工作時，則可用數字萬用表測試方法可以簡單判斷出IGBT是否損壞，而要想進一步判斷IGBT哪里損壞的問題，則需要其他更深層次的方法。變頻技術研發(fā)部杜工根據IGBT的自身特點，結合自身多年實踐經驗，給我們介紹了雙脈沖測試的方法，讓我們一起來學習一下吧。
IGBT是絕緣柵雙極型晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor）的簡稱，它結合了功率MOSFET和GTR兩者的優(yōu)點，兼?zhèn)涔β蔒OSFET的速度優(yōu)點和GTR的載流能力，其性能更為優(yōu)良，目前成為各種中、大功率電力電子設備的主導器件。
在應用現場，有時需判斷IGBT的好壞，此時可采用數字萬用表的二極管檔進行簡單測量。IGBT有三個電極，分別是柵極G、集電極C和發(fā)射極E。根據IGBT規(guī)格書，可以確定出三個電極。由于功率端子C極和E極間反并聯二極管，用數字萬用表的二極管檔測試正常IGBT的C 、E兩極時，表筆正測反測會出現兩個結果：一個是數值溢出；一個會顯示零點幾伏的通態(tài)壓降，此時，正表筆接觸的是E極。另外，也可用此方法進行門極電容是否擊穿的判斷，表筆正測反測都顯示數值溢出，則表明門極沒被擊穿。
上述測試方法簡單易懂，能快速篩選出已損壞的IGBT。若想進行進一步的測試，工程上多采用雙脈沖測試。本文簡介工程上常用的IGBT雙脈沖測試方案。
雙脈沖測試簡介
在電力電子領域，經常談到雙脈沖測試，大家也都有所耳聞。現階段，PWM控制技術在電力電子技術中占有舉足輕重的地位，具體到電力電子器件上，體現為電力電子器件的開關控制。因此，雙脈沖測試可以理解為基于實際功率模組或特定功率回路（如半橋），通過IGBT兩次開關過程，測試IGBT和二極管在開通、關斷階段的動態(tài)電氣參數。本質上，模擬IGBT在一定電壓、電流下的開通、關斷過程。
圖1給出IGBT的失效形式，可以看出，IGBT失效主要體現為電氣損壞和熱損壞。相關人員在變流器失效分析中得出一個結論：IGBT問題和驅動引起的失效占比超過50%。從功率器件最佳工況出發(fā)，我們需要通過雙脈沖測試，評估IGBT相關的各項動態(tài)電氣參數。
圖1 IGBT失效形式
此外，規(guī)格書上給出的參數-是在特定條件下測得的，而實際應用中的外部參數都是個性化的。從變流器的穩(wěn)定性出發(fā)，我們需要一些測試評估手段，了解IGBT在具體應用中更真實的表現。
在雙脈沖實驗中，可以準確地觀察到IGBT內部半導體芯片在某種溫度下的開通、關斷行為。測試表明：在該實驗中表現出來的行為，就是IGBT在實際應用中的行為。
雙脈沖測試分類
圖2所示的是二極管箝位型（NPC）三電平功率變換器，是公司交流調速電控系統(tǒng)功率回路的主要拓撲形式，既可作為電網側功率變換器，又可作為負載側功率變換器。每一相均由4個帶有反并聯二極管的IGBT模塊和兩個箝位二極管組成，每一相可稱為NPC三電平功率模組（也稱功率單元）。
圖3給出兩電平功率變換器功率回路的主要拓撲形式，可以看成由三個半橋電路組合而成，每個半橋電路有兩個橋臂，每個橋臂由一個可控器件和一個反并聯二極管組成。每個半橋的兩個橋臂連接點為交流輸出端。
圖2 NPC三電平變換器
圖3 兩電平功率變換器
NPC三電平功率變換器的一相稱為NPC三電平功率模組，圖4給出其主回路拓撲形式。為保證工程應用的可靠性，需對NPC三電平功率模組進行雙脈沖測試。
兩電平功率變換器的一相也稱為兩電平功率模組，圖5給出其主回路拓撲形式。公司交流調速電控系統(tǒng)較少使用兩電平功率模組，該拓撲形式多用于開發(fā)測試中。
圖4 NPC三電平功率模組
圖5 兩電平功率模組
因此，IGBT雙脈沖測試方案分為兩種：實際功率模組（基于NPC三電平）與通用測試平臺（基于兩電平功率模組）的雙脈沖測試方案。
雙脈沖測試的實際應用
在實際應用中，通用測試平臺-雙脈沖測試的硬件準備如下：① 高壓電源、② 負載電感、③ 測量裝置+雙脈沖發(fā)生器、④ 電容組+疊層直流母排、⑤ 被測IGBT及驅動電路。
圖6通用測試平臺-雙脈沖測試應用方案，從中可以看出，被測IGBT及驅動電路是測試的觀察對象，測試的主要目的也已簡要列出。
圖6 通用測試平臺-雙脈沖測試應用方案
在實際應用中，實際功率模組-雙脈沖測試的硬件準備如下：① 高壓電源、② 負載電感、③ 測量裝置+雙脈沖發(fā)生器、④ 實際功率模組。
圖7實際功率模組-雙脈沖測試應用方案，從工程應用層面進行一些測試。
實際電力電子裝置的電參數受以下三種因素相互耦合的影響：母排結構、驅動電路、器件的開關特性。即對其中一種因素測試時，需屏蔽另外兩種因素的影響。
圖7 實際功率模組-雙脈沖測試應用方案
綜上，進行雙脈沖測試時我們可以基于兩種硬件測試平臺。通用測試平臺的測試重點在于功率器件或驅動電路的參數。實際功率模組著重從整體上評估功率器件的電流、電壓應力是否在安全范圍之內。
（本稿件由中礦傳動市場部整理編輯，經中礦傳動技術支持團隊審核授權發(fā)布！）
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