進(jìn)行逆變器設計時(shí)，IGBT模塊的開(kāi)關(guān)損耗評估是很重要的一個(gè)環(huán)節。而常見(jiàn)的損耗評估方法都是采用數據手冊中IGBT或者Diode的開(kāi)關(guān)損耗的典型值，這種方法缺乏一定的準確性。本文介紹了一種采用逆變器系統的驅動(dòng)板和母排對IGBT模塊進(jìn)行損耗測試和評估的方法，通過(guò)簡(jiǎn)單的操作即可得到更精確的損耗評估。
一般數據手冊中，都會(huì )給出特定條件下，IGBT及Diode開(kāi)關(guān)損耗的典型值。一般來(lái)講這個(gè)值在實(shí)際設計中并不能直接拿來(lái)用。在英飛凌模塊數據手冊中，我們可以看到，開(kāi)關(guān)損耗典型值前面，有相當多的限制條件，這些條件描述了典型值測試平臺。而實(shí)際設計的系統是不可能和規格書(shū)測試平臺一模一樣的。兩者之間的差異，主要體現在如下幾個(gè)方面：
IGBT的開(kāi)關(guān)損耗不僅僅依賴(lài)于驅動(dòng)電阻，也依賴(lài)于驅動(dòng)環(huán)路的電感，而實(shí)際用戶(hù)系統的驅動(dòng)環(huán)路電感常常不同于數據手冊的測試平臺的驅動(dòng)環(huán)路電感。
驅動(dòng)中加入柵極和發(fā)射極電容是很常見(jiàn)的改善EMC特性的設計方法，而使用該柵極電容會(huì )影響IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程中電流變化率dIc / dt和電壓變化率dVce / dt，從而影響IGBT的開(kāi)關(guān)損耗
實(shí)際系統的驅動(dòng)電壓也常常不同于數據手冊中的測試驅動(dòng)電壓，在IGBT模塊的數據手冊中，開(kāi)關(guān)損耗通常在±15V的柵極電壓下測量，而用戶(hù)的驅動(dòng)電壓有時(shí)也并非這個(gè)電壓數值。
數據手冊通常會(huì )在較小的母排雜散電感下進(jìn)行開(kāi)關(guān)損耗測試，而實(shí)際系統的母排或者PCB的布局常常會(huì )存在比較大的雜散電感。
正因為實(shí)際系統的母排、驅動(dòng)與數據手冊的標準測試平臺的母排、驅動(dòng)存在著(zhù)差異，才導致了直接采用數據手冊的開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行實(shí)際系統的損耗評估存在著(zhù)一定的誤差。一種改善的方式是直接采用實(shí)際系統的母排和驅動(dòng)來(lái)進(jìn)行雙脈沖測試，IGBT模塊可以固定在一個(gè)加熱平臺上，而加熱平臺能夠調節到150℃并保持恒溫。
圖1給出了雙脈沖的測試原理圖，圖2給出了雙脈沖測試時(shí)的波形圖，典型的雙脈沖測試可以按照圖1和圖2 進(jìn)行，同時(shí)需要注意將加熱平臺調整到一定的溫度，并等待一定時(shí)間，確保IGBT的結溫也到達設定溫度。
圖1-1: IGBT的雙脈沖測試原理圖
圖1-2: Diode的雙脈沖測試原理圖
圖2-1: IGBT的雙脈沖測試波形圖
圖2-2:Diode的雙脈沖測試波形圖圖3給出了雙脈沖測試過(guò)程中，IGBT的開(kāi)通過(guò)程和關(guān)斷過(guò)程的波形。損耗可以通過(guò)CE電壓和導通電流的乘積后的積分來(lái)獲得。需要注意的是電壓探頭和電流探頭需要匹配延時(shí)，否則會(huì )引起比較大的測試誤差。在用于數據手冊的測試平臺中，常見(jiàn)的電流探頭是PEARSON探頭，而實(shí)際系統的母排中，很難裝入PEARSON探頭，更多的采用Rogowski-coil。需要注意的是Rogowski-coil 的延時(shí)會(huì )比較大，而且當電流變化率超過(guò)3600 A/μs時(shí)，Rogowski-coil 會(huì )有比較明顯的誤差。關(guān)于測試探頭和延時(shí)匹配也可同儀器廠(chǎng)家確認。
圖3-1 IGBT關(guān)斷過(guò)程DUT：FF600R12ME4; CH2（綠色）- VGE，CH 3（藍色）- ce，CH4（紅色）- Ic
圖3-2 IGBT開(kāi)通過(guò)程
首先固定電壓和溫度，在不同的電流下測試IGBT的開(kāi)關(guān)損耗，可以得出損耗隨電流變化的曲線(xiàn)，并且對曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，可以得到損耗的表達式。該系統的直流母線(xiàn)電壓最小為540V，最高為700V。而系統的IGBT的結溫的設計在125℃和150℃之間。分別在540V和700V母線(xiàn)電壓，及125℃和150℃結溫下重復上述測試，可以得到一系列曲線(xiàn)，如圖4所示。
圖4：在不同的電流輸入條件下，以電壓和溫度為給定條件的IGBT的開(kāi)關(guān)損耗曲線(xiàn)依據圖4給出的損耗測試曲線(xiàn)，可以依據線(xiàn)性等效的方法得到IGBT的開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗在電流，電壓，結溫下的推導公式。
同理也可以得到Diode在給定系統的電壓，電流，結溫設計范圍內的反向恢復損耗的推導公式：
圖5：在不同的電流輸入條件下，以電壓和溫度為給定條件的Diode反向恢復損耗曲線(xiàn)
雖然這里介紹的方法相對于采用IGBT數據手冊的開(kāi)關(guān)損耗典型值提供了一些改進(jìn)，但仍存在一些缺點(diǎn)，比如在非常低的電流時(shí)，損耗會(huì )有一定的誤差，這可以通過(guò)采用非線(xiàn)性模型或多級的電流線(xiàn)性模型來(lái)優(yōu)化。
通過(guò)采用實(shí)際系統的驅動(dòng)和母排進(jìn)行雙脈沖測試，在系統設計的電壓，電流和溫度范圍內，可以得到比采用數據手冊的典型值更準確的損耗評估。(英飛凌igbt廠(chǎng)家)
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