摘要：大功率電氣傳動裝置通常采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，需要對IGBT及其驅(qū)動電路進(jìn)行全面、深入的測試，從而保證系統(tǒng)工作的可靠性。本文闡述了針對大功率電氣傳動裝置中IGBT及其驅(qū)動電路的主要測試內(nèi)容及方法，經(jīng)過多種大功率電氣傳動裝置的驗證，具有較強的實用性。

1引言

在功率等級達(dá)到幾百千瓦乃至幾兆瓦的電氣傳動裝置（如大功率變頻器及風(fēng)電變流器等）中，通常選用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。IGBT選型及其驅(qū)動電路的設(shè)計對系統(tǒng)的運行可靠性有著很大的影響。

在電氣傳動裝置的開發(fā)過程中，需要對IGBT及其驅(qū)動電路進(jìn)行全面、深入的測試，只有這樣才能保證系統(tǒng)工作的可靠性。本文闡述了針對大功率電氣傳動裝置中IGBT及其驅(qū)動電路的主要測試內(nèi)容及方法。這些測試內(nèi)容和方法經(jīng)過多種大功率電氣傳動裝置的驗證，具有較強的實用性。

2基本測試單元及驅(qū)動模式

為盡量保證測試條件、結(jié)果與實際應(yīng)用的一致性，一般可選用電氣傳動裝置中實際使用的功率模塊作為測試單元。本文的測試單元以IGBT半橋模塊為例。

 在電氣傳動裝置的實際工作中，IGBT模塊通常處于高頻開關(guān)動作狀態(tài)，因而針對測試單元的測試也應(yīng)充分體現(xiàn)這一特征，比如采用相同的開關(guān)頻率等。

常用的測試模式有雙脈沖驅(qū)動測試法和多脈沖驅(qū)動測試法。雙脈沖驅(qū)動測試法如圖1所示，需分別是針對測試單元中的IGBT下管和IGBT上管進(jìn)行，這里需要注意負(fù)載電抗的接線方式，以及對非測試IGBT管驅(qū)動的封鎖。

多脈沖驅(qū)動測試法則可采用頻率、占空比固定的多個脈沖系列來驅(qū)動，測試的結(jié)果通常如圖2所示。

3具體測試內(nèi)容及方法

3.1IGBT開通時刻的電流尖峰

通常IGBT在開通時還會流過對管續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流，從而導(dǎo)致在IGBT的電流上出現(xiàn)一個尖峰。在設(shè)計中，必須保證IGBT在正常工況下的最大開通電流處于IGBT的反向偏置安全工作區(qū)RBSOA之內(nèi)。

本項測試中的直流母線電壓選擇直流母線的額定工作電壓即可，因為母線電壓對二極管的反向恢復(fù)電流的影響很小。

3.2IGBT關(guān)斷時刻的VCE尖峰

通常IGBT在關(guān)斷時，由于線路寄生電感的存在，其VCE會產(chǎn)生一個尖峰。在設(shè)計中，必須保證IGBT在可能出現(xiàn)的最高的母線工作電壓下關(guān)斷最大工作電流時，其VCE的峰值仍處于IGBT的RBSOA之內(nèi)。

圖4中，藍(lán)色波形為IGBT的VCE，測試中需記錄其在關(guān)斷過程中出現(xiàn)的尖峰值。

3.3開通/關(guān)斷延遲測試

 IGBT的上、下管中某一管的關(guān)斷與另一管的開通之間一般會插入一定的間隔時間（通常稱為死區(qū)時間），以防止上、下管直通。IGBT模塊上實際呈現(xiàn)的死區(qū)時間會受到驅(qū)動信號傳輸鏈路的影響。如果開通和關(guān)斷延遲差異較大，則會影響到IGBT的實際死區(qū)時間和工作可靠性。如圖5所示，對比控制器發(fā)出的驅(qū)動信號和IGBT端口的VGE驅(qū)動信號，分別測定開通延時和關(guān)斷延時。通常要保證開通延遲時間與關(guān)斷延遲時間的一致型，比如延遲時間的差值不得超過死區(qū)時間的10%。

3.4上下管直通保護(hù)測試

IGBT上下管直通保護(hù)測試是針對橋式電路的一項重要測試，以評估系統(tǒng)在受到驅(qū)動干擾時的抗擾性能。

 IGBT上下管直通保護(hù)測試通常需做兩類測試。一種測試方法如圖6（a）所示，可讓IGBT上管始終導(dǎo)通，在IGBT下管輸入一個12us的驅(qū)動脈沖。在正常條件下，保護(hù)電路一般會在10us以內(nèi)實現(xiàn)保護(hù)，即使保護(hù)失敗，12us通常也不會損壞被測IGBT。另一種測試方法如圖6（b）所示，在IGBT上管和下管上同時輸入一個12us的驅(qū)動脈沖，檢測保護(hù)電路是否有效。兩種測試方法下，驅(qū)動電路都應(yīng)該在10us內(nèi)做出有效的保護(hù)。

圖7為采用圖6（a）的驅(qū)動方式進(jìn)行測試時的試驗波形。可見保護(hù)電路在10us以內(nèi)關(guān)斷了IGBT，且有大約1us的軟關(guān)斷時間。軟關(guān)斷過程中，上管VGE在1us內(nèi)從15V降到12.5V。

3.5過流保護(hù)測試

盡管在電氣傳動裝置的實際使用過程中，系統(tǒng)的最大工作電流比過流保護(hù)點低不少，過流保護(hù)不會被觸發(fā)，但過流保護(hù)功能的有效性仍然是電氣傳動裝置安全運行的關(guān)鍵。過流保護(hù)功能的測試可基于多脈沖驅(qū)動測試法，在IGBT連續(xù)多次導(dǎo)通后，電流累計抬升可能達(dá)到過流保護(hù)點，從而觸發(fā)過流保護(hù)功能。

圖8為多脈沖驅(qū)動測試下的相關(guān)波形，每個驅(qū)動脈沖的寬度為20us。這里最后驅(qū)動脈沖的寬度明顯比前面的窄，是因為該脈沖引發(fā)IGBT開通后的電流觸發(fā)了IGBT的過流保護(hù)，驅(qū)動電路自動關(guān)斷了IGBT。

3.6驅(qū)動電路上電/下電測試

驅(qū)動電路上電測試主要是為了確認(rèn)系統(tǒng)在上電瞬間不會發(fā)生錯誤觸發(fā)IGBT的驅(qū)動信號。下電測試則主要是為了確認(rèn)裝置在正常工作條件下突然發(fā)生輔助電源掉電時IGBT的驅(qū)動信號必須進(jìn)入封鎖狀態(tài)。

如圖9所示，（a）為驅(qū)動電路輸出信號VGE在系統(tǒng)上電及下電的瞬間波形，IGBT驅(qū)動上不存在誤觸發(fā)的信號，且上電后還可建立驅(qū)動的負(fù)壓。（b）模擬的是在IGBT驅(qū)動端口一直接受驅(qū)動脈沖信號的前提下，將驅(qū)動電路的供電電源突然斷開，可以看到驅(qū)動脈沖中的正電壓逐漸降低，且伴隨著負(fù)電壓，直到正電壓低于一定程度后，驅(qū)動脈沖被封鎖，且負(fù)電壓能持續(xù)一段時間，確保系統(tǒng)安全關(guān)閉。

3.7有源鉗位支路測試

圖10所示的有源鉗位電路，主要用來鉗制IGBT在開關(guān)動作過程中的VCE尖峰，通常在關(guān)斷大電流的工況下會觸發(fā)有源鉗位電路。測試時需主要關(guān)注VCE尖峰的數(shù)值是否在安全范圍內(nèi)，但是TVS管的損耗也必須考慮。通過測量電阻RF1兩端的電壓，結(jié)合其阻值即可計算出流過TVS管的電流，這樣可進(jìn)一步計算出其損耗。必須衡量該損耗在一個輸出電流的周期內(nèi)是否滿足TVS管的溫升要求。

3.8測試主要器件的溫升

在所有單板電路中，驅(qū)動電路是最靠近IGBT模塊，因而承受著很高的環(huán)境溫度。如果系統(tǒng)允許的工作環(huán)境溫度達(dá)到55℃，則驅(qū)動電路周圍的環(huán)境溫度通?？赡苓_(dá)到70℃。因而相關(guān)器件的工作溫度及溫升需要測試。

測試時可把IGBT模塊放在溫箱中，按照實際工作的開關(guān)頻率驅(qū)動IGBT進(jìn)行溫升實驗。通常需重點關(guān)注光耦、驅(qū)動變壓器等關(guān)鍵芯片和器件的溫度，用熱電偶粘點測量。電阻、電容等其它器件則可通過損耗理論計算加熱成像儀掃描的方式來確認(rèn)其是否工作在合理的溫度范圍內(nèi)。

4結(jié)論

本文闡述了大功率電氣傳動裝置中IGBT及其驅(qū)動電路的主要測試內(nèi)容及方法。這些測試內(nèi)容和方法可較為全面、深入地模擬和評估IGBT模塊在各種工況下的工作性能和相關(guān)保護(hù)功能的有效性，這對于提升電氣傳動裝置的運行可靠性有著重要意義。這些測試內(nèi)容和方法經(jīng)過了禾望電氣多種大功率電氣傳動裝置（含HD2000系列工程型變頻器）的開發(fā)及應(yīng)用驗證，具有較強的實用性。