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IGBT模块工作特性测试与分析

2016-09-14  共同成长8...

IGBT模块工作特性测试与分析

作者:微叶科技 时间:2015-11-04 14:31

IGBT功率单元测试平台示意图:

图1 直流电压产生电路
图1 直流电压产生电路
其中QF为断路器,KM为接触器(绿色按钮),T1为调压器。
图2 功率单元测试电路
图2 功率单元测试电路
图3 IGBT功率单元
图3 IGBT引脚示意图
注意事项:
  1. 上380V主电前应将变压器旋钮调至零电压附近位置;
  2. 放电开关K1初始状态应为关断状态,并且接触器KM与放电开关K1不可以同时接通;
  3. 本测试方案中以驱动板的安装方向为正方向,则上管为右侧IGBT,下管为左侧IGBT;
  4. 测试平台初始状态为负载电阻RL并联在下管C、E两端,即上管带负载;
  5. 所有排线应与实际变流器柜中排线一致,包括温度板与驱动板之间的三根彩排、CPU板与温度板之间的两根排线;
  6. 注意一定要在主电断电、电路板断电的情况下进行探头以及连线的更换,注意人身以及功率单元的安全;
  7. 注意在拆卸之后每一个螺丝一定要拧紧!
  8. 在所有测试之前,应确保所用CPU板所烧程序为测试程序。 
工具准备:
示波器1台,差分探头(型号P5200)2个,电流探头(型号i2000 flex)1个,开关电源1套,以及必备拆卸工具若干。
需要CPU板1块,温度板1块,驱动板3块。
         在做所有测试前应将电源接到温度板上,CPU板通过X2、X3端子与温度板相连,温度板通过X31、X32、X33端子分别与三块驱动板的X2端子相连,其中温度板X31端子与安装在功率单元上的1块驱动板相连。
示波器接法:
  1. 将一个差分探头(下面称差分探头1)选择1/50V量程,接在示波器的第1通道,用以测量栅极驱动信号(±15V),设置示波器该通道倍率为50,每格10V。
  2. 将另一个差分探头(下面称差分探头2)选择1/50V量程,接在示波器第2通道,用以测量栅极驱动信号(±15V)或者IGBT的CE两端电压(测试中最大可到达1000V左右),设置示波器该通道倍率为50,每格10V。
  3. 电流探头量程设置为200A,接在示波器第3通道,并调整该通道为测量电流模式,设置示波器该通道倍率为100,每格20A。
一、死区时间测试
测试前准备:
  1. 确认接触器KM断开、电路板掉电、放电开关K1处于断开状态;
  2. 差分探头1接上管的G、E两端:红色表笔夹在驱动板D19右端,黑色表笔夹在D21或R7左端;
  3. 差分探头2接下管的G、E两端:红色表笔夹在驱动板D18右端,黑色表笔夹在D20或R4左端。
测试步骤:
  1. 注意:该测试不上380V主电。接通电路板电源,从示波器上应该可以看到1通道和2通道均为-15V电平,如果不是则检查探头连接及示波器设置是否正确。
  2. 打开上位机界面,在“串口设置”中选择正确的串口号,如图4所示。
图4 串口设置选项卡
图4 串口设置选项卡
 
  1. 调整示波器设置(即设置为源1的下降沿触发模式),在“PWM脉冲数目设置”选项卡点击数字“2”,即为设置双脉冲模式,注意此时右下方红色数字显示为“2”,如图5所示。
图5 PWM脉冲数目设置选项卡(双脉冲模式)
图5 PWM脉冲数目设置选项卡(双脉冲模式)
  1. 设置完毕后,即可捕捉上管关断、下管开通时的示波器波形,正确波形如图6所示,图中也给出了死区的计算方法,死区时间约为10.6微秒,绝对误差应小于1微秒,若死区时间过长或过短则不予通过。
图6 死区时间测试波形(上管关断、下管导通时)
图6 死区时间测试波形(上管关断、下管导通时)
  1. 填写表一,并对有问题波形进行存储、记录。
  2. 调整示波器设置(改为源2的下降沿触发模式)后再次点击“PWM脉冲数目设置”选项卡中数字“2”,捕捉上管导通、下管关断时的示波器波形,正确波形如图7所示,死区时间应与上管关断、下管导通时死区时间一致,为10.6微秒,绝对误差应小于1微秒,若死区时间过长或过短则不予通过。
图7 死区时间测试波形(下管关断、上管导通时
图7 死区时间测试波形(下管关断、上管导通时)
  1. 填写表一,并对有问题波形进行存储、记录,之后关闭程序并断掉电路板电源。
表一 死区测试结果
  死区时间 正确的死区时间(单位:微秒) 误差
(单位:微秒)
允许误差(单位:微秒) 波形是否合格
上管关断、下管导通   10.6   1  
下管关断、上管导通   10.6   1  
 
二、带载测试
     差分探头2的量程改为1/500V,设置示波器该通道倍率为500,每格250V。
1、上管带载测试
测试前准备:
  1. 确认接触器KM断开、电路板掉电,放电开关K1处于断开状态;
  2. 检查电路,确认15Ω/70A电阻并联在下管的C、E两端,如图2所示电路;
  3. 差分探头1接在上管的G、E两端用来测试上管的栅极驱动信号Vg:红色表笔夹在驱动板D19右端,黑色表笔夹在D21或R7左端,如图8所示;
  4. 将差分探头2表笔换成夹子,接在上管C、E两端用来测试加在IGBT两端的电压Vce:红色夹子加在上管的C端,黑色夹子夹在E端,如图8所示。调整对应示波器通道设置,每格250V;
  5. 电流探头接功率单元交流输出端与负母线之间的连线上,以流出方向为正,用来测试集电极电流IC,如图8所示。
图8 上管带载测试中探头接法
图8 上管带载测试中探头接法
测试步骤:
  1. 接通电路板电源,此时示波器1通道波形应为-15V电平,其他两个应无波形,若不是则检查示探头或示波器设置是否正确。
  2. 打开上位机界面,在“串口设置”中选择正确的串口号,见图4。
  3. 注意此时放电开关处于关断状态!按下接触器KM接通380V交流电源,调节调压器T1使直流母线电压到达1000V左右,待稳定后关断接触器KM;
  4. 调整示波器设置(即修改为源1的上升沿触发模式),在“PWM脉冲数目设置”选项卡中点击数字“1”,即设置为脉冲数为1,此时捕获上管导通时的三个波形,如图9所示,存储波形并编号。
图9 PWM脉冲数目设置选项卡(单脉冲模式)
图9 PWM脉冲数目设置选项卡(单脉冲模式)
  1. 分析图10所示波形。对于上管导通时,驱动信号(黄色)由-15V快速上升到10V左右,此时开关管导通,上升时间约为1.6微秒,之后在10V附近进入平台区,大约1个多微秒后缓慢上升到+15V;在开关管导通时刻,电压VCE(浅蓝色)迅速降为0,集电极电流(紫色)缓慢上升并稳定在65A左右,若捕获波形与此一致则该测试通过,否则不予通过;
图10 上管带载测试波形(上管导通时)
图10 上管带载测试波形(上管导通时)
  1. 调整示波器设置(即修改为源1的下降沿触发模式),捕获上管关断时的三个波形,如图11所示,存储波形并编号;
图11上管带载测试波形(上管关断时)
图11上管带载测试波形(上管关断时)
  1. 关闭程序,接通放电开关,对电路进行放电,当直流母线电压平缓降到并稳定在0V(或10V以下)后,复位放电开关。
  2. 分析图11所示波形。对于上管关断时,上管经过约1.2微秒后关断(黄色),电压VCE(浅蓝色)迅速上升到1000V左右,集电极电流(紫色)由65A左右缓慢降为0A。若捕获波形与此一致则该测试通过,否则不予通过。
2、下管带载测试
测试前准备:
  1. 确认接触器KM断开、电路板掉电,放电开关K1处于断开状态;
  2. 将原来并联在下管CE两端的15Ω/70A电阻与负母线间连线断开,并将此连线接至正母线进线端子上,如图12所示;
  3. 差分探头1接在下管的G、E两端用来测试上管的栅极驱动信号Vg:红色表笔夹在驱动板D18右端,黑色表笔夹在D20或R4左端,如图12所示;
  4. 将差分探头2表笔换成夹子,接在下管C、E两端用来测试加在IGBT两端的电压Vce:红色夹子加在下管的C端,黑色夹子夹在E端,如图12所示。调整对应示波器通道设置,每格250V;
  5. 电流探头连接方式同上管带载测试,用来测试集电极电流IC,如图12所示。
图12 下管带载测试中探头接法
图12 下管带载测试中探头接法
测试方法:
同上管带载测试方法,需要分别捕获下管导通和关断两种情况下的波形并存储,进行同样的波形分析。填写表二。
表二 带载测试结果
  驱动信号上升或下降时间(微秒) 驱动信号平台时间(微秒) 电压上升或下降时间(微秒) 电流上升或下降时间(微秒) 波形是否一致
测量值 正确值 误差 测量值 正确值 误差 测量值 正确值 误差 测量值 正确值 误差
上管带载测试 上管导通时   1.6     1.6     0.2     6    
上管关断时   2     0.6     0.4     6    
下管带载测试 下管导通时   1.6     1.6     0.2     6    
下管关断时   2     0.6     0.4     6    
 
三、短路测试
注意:短路测试只可以做1次,频繁做此测试会损坏IGBT。
测试前准备:
  1. 确认主电掉电、电路板掉电,放电开关处于断开状态;
  2. 去掉IGBT上并联的电阻负载RL及其连线,将上管的C、E两端在功率单元上直接短接,如图13所示;
  3. 差分探头1接在下管的G、E两端用来测试下管的栅极驱动信号Vg:红色表笔夹在驱动板D18右端,黑色表笔夹在D20或R4左端,如图13所示;
(4)       将差分探头2表笔换成夹子,接在下管C、E两端用来测试加在IGBT两端的电压Vce:红色夹子加在下管的C端,黑色夹子夹在E端,如图13所示。调整示波器设置(即修改为源1的上升沿触发模式,通道2改为每格250V;
图13 短路测试中探头接法
图13 短路测试中探头接法
测试步骤:
  1. 接通电路板电源,此时示波器1通道应为-15V电平,示波器2通道无波形,如果不是则检查连线及示波器设置是否正确;
  2. 打开上位机界面,在“串口设置”中选择正确的串口号,见图4。
  3. 按下接触器KM接通380V电源,调节调压器T1使直流母线电压(即示波器2通道所示电压)到达400V左右,待稳定后关断接触器KM;
  4. 调整示波器设置,在“PWM脉冲数目设置”选项卡中点击数字“1”,即设置为脉冲数为1,捕获下管导通时的波形,如图14所示。
图14 短路测试波形
图14 短路测试波形
  1. 波形捕获完毕后,接通放电开关,对电路进行放电,当直流母线电压平缓降到并稳定在0V(或10V以下)后,断开放电开关。
  2. 分析波形,正确波形如图14所示,Vg(蓝色)在导通5微秒左右迅速关断,母线电压(浅蓝色)也随之降为0,波形一致则测试通过,否则不予通过。填写表三。
表三 短路测试结果
  测量值(微秒) 正确值(微秒) 波形是否一致
短路时间   <10  
 
 
 



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