本文主要探討關(guān)于IGBT單/雙脈沖測試六大方面。如有疑問,歡迎在評論區(qū)留言。
- 測試意義
- 測試說明
- 測試電路
- 雙脈沖測試分析
- 單脈沖測試分析
- Cge外接電容的影響
下面進入正題:
1. 測試意義
- 對比不同品牌、不同系列的IGBT參數(shù)和性能;
- 得到IGBT在開關(guān)過程中的主要參數(shù),用來評估開通驅(qū)動電阻、關(guān)段驅(qū)動電阻的數(shù)值是否合適,母線回路的寄生電感是否過大,選型的IGBT額定電壓、額定電流的余量空間是否合適等等;
- 測試IGBT在工作時的實際性能,例如開關(guān)損耗、導通損耗、反向恢復損耗、驅(qū)動波形是否有震蕩、關(guān)段尖峰電壓是否滿足降額要求,以及IGBT的退保和時間是否滿足設(shè)計要求和驅(qū)動電路是否可靠動作;
2. 測試說明
IGBT單/雙脈沖測試主要是用來模擬IGBT在實際使用中出現(xiàn)的短路情況,IGBT短路分為一類短路和二類短路,分別對應(yīng)于IGBT模擬測試中的單脈沖測試和雙脈沖測試。
一類短路為逆變器橋臂內(nèi)的短路情況,二類短路為逆變器橋臂間的短路情況。
一類短路特點:
- 橋臂內(nèi)直通或短路;
- 硬件失效或軟件失效;
- 短路回路中的電感量很小,100nH級;
- 用IGBT管壓降檢測的方式來實現(xiàn)保護;
二類短路特點:
- 橋臂相間短路或相對地短路;
- 短路回路中的電感量稍大(uH級的);
- 可以使用IGBT管壓降檢測的方式來實現(xiàn)保護;也可以使用霍爾傳感器來實現(xiàn)電流保護;
3. 測試電路
IGBT的驅(qū)動供電電源為+15V/-8V,對應(yīng)于上圖中的Vdrv_P和Vdrv_N;IGBT開關(guān)頻率
10kHz,驅(qū)動的導通脈寬為10uS,出兩個脈沖,如下圖所示:
L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8為線路上的寄生電感,電感值為假定的參數(shù),可能不符合每個產(chǎn)品的實際參數(shù);
本仿真通過上管IGBT關(guān)斷,下管發(fā)脈沖的方式來實現(xiàn);反過來的測試方式同理,并不詳細說明了。
4.雙脈沖測試分析
測試用的空芯電感設(shè)置為100uH:
測試第二個脈沖產(chǎn)生的損耗
開通損耗:741.79uJ
關(guān)段損耗:1.0179mJ
測試上管IGBT體二極管的測試參數(shù):
反向恢復電流:1.7876999A,電流比較小,可能是跟我選擇的IGBT管子有關(guān)系。
反向恢復時間:61.807229ns
反向恢復損耗:21.209µJ
IGBT關(guān)斷是承受的最大尖峰電壓為532.042V,這個電壓值可直接在波形上測試,也可直接用“.meas Vcemax MAX V(C,E)”這條指令計算出來;仿真完成后用Ctrl+L調(diào)出計算的值。
母線電壓設(shè)置為450V,IGBT關(guān)段電壓為532.042V,有82.042V的電壓尖峰;這個電壓尖峰與L2、L3、L4、L5、L6的寄生電感值有關(guān)系,下面通過修改他們的值來進行側(cè)面驗證:
從上面4組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),Lbus(L2、L6)的增大對IGBT關(guān)斷電壓的影響很大,在實際設(shè)計時要注意正負母排的連接方式和回路面積,可能的情況下盡量選擇疊層母排的設(shè)計,減小回路長度;橋臂上的寄生電感(L3、L4、L5)反倒不是影響的主要因素。
5.單脈沖測試分析
修改V6電壓源的脈沖數(shù)量為1,并把空芯電感修改為100nH,仿真波形如下:
Vce電壓跌落一下立馬上升到母線電壓,可以理解為IGBT出現(xiàn)退飽和保護了;
退飽和現(xiàn)象說明:
發(fā)生一類短路時,IGBT的電流會快速上升,當電流上升到一定數(shù)值時(一般為4倍額定電流),IGBT會發(fā)生退飽和現(xiàn)象,其標志是IGBT的電壓會迅速上升至直流母線電壓。
當IGBT退出飽和區(qū)后,IGBT的電流為4倍額定電流(此倍數(shù)與IGBT芯片類型有關(guān)),電壓為母線電壓(外電路的所有電動勢都壓在IGBT上),IGBT芯片的損耗非常大;根據(jù)規(guī)格書,其最多能耐受10uS的短路狀態(tài),驅(qū)動器需要在此時間內(nèi)把IGBT有效關(guān)掉,此時的關(guān)斷時完全安全的。
上面這段話源自魏煒的“IGBT保護問題”
IGBT一類短路測試參數(shù):
IGBT平均損耗:360.41mJ
V.cemax=529.735V
貼一張其他產(chǎn)品的實際測試圖,供參考:
6.Cge外接電容的影響
關(guān)于這個電容的影響和作用,英飛凌和ABB都有相關(guān)的文檔資料說明;主要的作用是實現(xiàn)開啟過程的di/dt 和dv/dt可以被分開控制,即可以用更小的 RG ,從而實現(xiàn)了低的開關(guān)損耗、較低的開通di/dt、限制續(xù)流二極管的di/dt;缺點是增加了驅(qū)動電流,需要適當擴大驅(qū)動電源的帶載能力。
用LTspice的step指令來模擬多電容參數(shù)的變化和影響。
驅(qū)動電流:
Cge變化參數(shù)清單為 4.7n 6.8n 8.2n 10n 15n 18n 22n 27n 33n 39n 47n 56n 68n 82n
100n 220n 330n,一一對應(yīng)step1-17;ig_p正驅(qū)動電流,ig_n負驅(qū)動電流,從上面得出的最大/最小驅(qū)動電流值,電容越大需要的驅(qū)動電流越大,增加了驅(qū)動電源的功率。