1、测试意义
2、测试说明
3、测试电路
4、双脉冲测试分析
5、单脉冲测试分析
6、Cge外接电容的影响
下面进入正题:
1. 测试意义
对比不同品牌、不同系列的IGBT参数和性能;
得到IGBT在开关过程中的主要参数,用来评估开通驱动电阻、关段驱动电阻的数值是否合适,母线回路的寄生电感是否过大,选型的IGBT额定电压、额定电流的余量空间是否合适等等;
测试IGBT在工作时的实际性能,例如开关损耗、导通损耗、反向恢复损耗、驱动波形是否有震荡、关段尖峰电压是否满足降额要求,以及IGBT的退保和时间是否满足设计要求和驱动电路是否可靠动作;
2. 测试说明
IGBT单/双脉冲测试主要是用来模拟IGBT在实际使用中出现的短路情况,IGBT短路分为一类短路和二类短路,分别对应于IGBT模拟测试中的单脉冲测试和双脉冲测试。一类短路为逆变器桥臂内的短路情况,二类短路为逆变器桥臂间的短路情况。
一类短路特点:
桥臂内直通或短路;
硬件失效或软件失效;
短路回路中的电感量很小,100nH级;
用IGBT管压降检测的方式来实现保护;
二类短路特点:
桥臂相间短路或相对地短路;
短路回路中的电感量稍大(uH级的);
可以使用IGBT管压降检测的方式来实现保护;也可以使用霍尔传感器来实现电流保护;
3. 测试电路
IGBT的驱动供电电源为+15V/-8V,对应于上图中的Vdrv_P和Vdrv_N;IGBT开关频率10kHz,驱动的导通脉宽为10uS,出两个脉冲,如下图所示:
L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8为线路上的寄生电感,电感值为假定的参数,可能不符合每个产品的实际参数;本仿真通过上管IGBT关断,下管发脉冲的方式来实现;反过来的测试方式同理,并不详细说明了。
4.双脉冲测试分析测试用的空芯电感设置为100uH:
测试第二个脉冲产生的损耗开通损耗:741.79uJ
关段损耗:1.0179mJ
测试上管IGBT体二极管的测试参数:反向恢复电流:1.7876999A,电流比较小,可能是跟我选择的IGBT管子有关系。
反向恢复时间:61.807229ns
反向恢复损耗:21.209µJ
IGBT关断是承受的最大尖峰电压为532.042V,这个电压值可直接在波形上测试,也可直接用“.meas Vcemax MAX V(C,E)”这条指令计算出来;仿真完成后用Ctrl+L调出计算的值。母线电压设置为450V,IGBT关段电压为532.042V,有82.042V的电压尖峰;这个电压尖峰与L2、L3、L4、L5、L6的寄生电感值有关系,下面通过修改他们的值来进行侧面验证:
从上面4组数据可以发现,Lbus(L2、L6)的增大对IGBT关断电压的影响很大,在实际设计时要注意正负母排的连接方式和回路面积,可能的情况下尽量选择叠层母排的设计,减小回路长度;桥臂上的寄生电感(L3、L4、L5)反倒不是影响的主要因素。5.单脉冲测试分析修改V6电压源的脉冲数量为1,并把空芯电感修改为100nH,仿真波形如下:
Vce电压跌落一下立马上升到母线电压,可以理解为IGBT出现退饱和保护了;退饱和现象说明:发生一类短路时,IGBT的电流会快速上升,当电流上升到一定数值时(一般为4倍额定电流),IGBT会发生退饱和现象,其标志是IGBT的电压会迅速上升至直流母线电压。当IGBT退出饱和区后,IGBT的电流为4倍额定电流(此倍数与IGBT芯片类型有关),电压为母线电压(外电路的所有电动势都压在IGBT上),IGBT芯片的损耗非常大;根据规格书,其最多能耐受10uS的短路状态,驱动器需要在此时间内把IGBT有效关掉,此时的关断时完全安全的。上面这段话源自魏炜的“IGBT保护问题”IGBT一类短路测试参数:IGBT平均损耗:360.41mJV.cemax=529.735V贴一张其他产品的实际测试图,供参考:
6.Cge外接电容的影响
关于这个电容的影响和作用,英飞凌和ABB都有相关的文档资料说明;主要的作用是实现开启过程的di/dt 和dv/dt可以被分开控制,即可以用更小的 RG,从而实现了低的开关损耗、较低的开通di/dt、限制续流二极管的di/dt;缺点是增加了驱动电流,需要适当扩大驱动电源的带载能力。
用LTspice的step指令来模拟多电容参数的变化和影响。
驱动电流:
Cge变化参数清单为 4.7n 6.8n 8.2n 10n 15n 18n 22n 27n 33n 39n 47n 56n 68n 82n100n 220n 330n,一一对应step1-17;ig_p正驱动电流,ig_n负驱动电流,从上面得出的最大/最小驱动电流值,电容越大需要的驱动电流越大,增加了驱动电源的功率。