IGBT模塊電氣參數(shù)測試及分析

梅　霜,李志剛,姚　芳,張亞玲

(河北工業(yè)大學 電氣工程學院, 天津　300130)

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·數(shù)理科學·

IGBT模塊電氣參數(shù)測試及分析

梅霜,李志剛,姚芳,張亞玲

(河北工業(yè)大學 電氣工程學院, 天津300130)

針對不同集電極電流及開關(guān)頻率下的開關(guān)過程設(shè)計并搭建了IGBT電氣參數(shù)測試系統(tǒng)。試驗測錄了IGBT模塊在開關(guān)過程中的電壓、電流波形,對電壓、電流波形進行數(shù)據(jù)處理,得到IGBT模塊的開關(guān)時間和開關(guān)損耗;根據(jù)對IGBT模塊的開關(guān)損耗進行分析,得到IGBT模塊的開關(guān)損耗在隨著集電極電流和開關(guān)頻率變化的規(guī)律。

IGBT模塊;開關(guān)波形;開通時間;關(guān)斷時間;開通損耗;關(guān)斷損耗

在新能源領(lǐng)域上,絕緣柵型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是應(yīng)用非常廣泛的器件。IGBT模塊電氣參數(shù)測試有助于了解IGBT的性能,便于使用。本文主要研究的電氣參數(shù)有開通時間、關(guān)斷時間、開通損耗和關(guān)斷損耗。IGBT模塊是功率器件,長時間工作會產(chǎn)生大量的熱,這不僅會引起IGBT模塊內(nèi)部物理參數(shù)的改變,影響其正常工作,而且可能會使IGBT模塊自身的溫升過大,影響其工作壽命,甚至導致失效。包括IGBT在內(nèi)的功率器件發(fā)熱絕大部分是由器件的損耗引起的,功率器件本身對溫度就比較敏感,在正常運行的情況下,由于其自身損耗引起的溫升,對器件的可靠性影響很大。了解IGBT開關(guān)損耗情況可為下一步選擇合適的散熱系統(tǒng)、提高系統(tǒng)的可靠性奠定基礎(chǔ)[1-2]。由此可見,對IGBT的開關(guān)損耗進行研究是非常必要的。

學術(shù)界對IGBT模塊的開關(guān)損耗進行了廣泛而深入的研究, 文獻[3]對變頻器中的IGBT的電壓、 電流采用與溫度有關(guān)的表達式進行描述, 計算開關(guān)損耗; 文獻[4]采用對原有損耗計算軟件加以修正系數(shù)的方法計算開關(guān)損耗;文獻[5]對IGBT開關(guān)過程電壓、電流進行分段擬合,利用基于Stateflow工具箱的損耗模型計算開關(guān)損耗。但是現(xiàn)有IGBT模塊開關(guān)損耗計算大都是發(fā)生在發(fā)電機或者逆變器系統(tǒng)中[6-10],這些系統(tǒng)中多個IGBT串聯(lián)或并聯(lián)運行,測量IGBT開關(guān)電壓、電流結(jié)果可能會相互影響,因此,對單個IGBT模塊開通、關(guān)斷過程進行測試,以此獲得開關(guān)損耗也是一項值得研究的內(nèi)容。

本文設(shè)計測試IGBT模塊開關(guān)波形的電路,得到IGBT開通、關(guān)斷過程中的集-射集電壓VCE、集電極電流IC的波形;設(shè)計測試IGBT開通、關(guān)斷波形的試驗方案,對試驗結(jié)果進行處理,計算IGBT的開關(guān)損耗,并得到開關(guān)損耗隨集電極電流和頻率變化的趨勢。

1　IGBT電氣參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計IGBT電氣參數(shù)測試系統(tǒng)的主電路如圖1所示。電路中在直流電源兩側(cè)并聯(lián)兩個電容C1,C2,得到穩(wěn)定的60V直流電壓。其中,由于電容兩端電壓不能突變,一方面電源并聯(lián)大電容可以通過濾除低頻干擾，使輸出電壓更加平滑、穩(wěn)定;另一方面電源并聯(lián)小電容可以通過濾除高頻波,使輸出電壓純凈。一般情況下并聯(lián)電容容量越小,產(chǎn)生諧振頻率越高,可濾除的干擾頻率也就越高。將大小兩個電容并聯(lián),以獲得更大的濾波頻段。根據(jù)經(jīng)驗選取C1為8pF,C2為2 200μF。

其次,為了能夠改變流過IGBT模塊的集電極電流的大小,設(shè)計多個繼電器(KT)來控制并入電路的散熱鋁殼電阻數(shù)量,選取R=40Ω,即當繼

電器接通個數(shù)為n時,穩(wěn)態(tài)時流過IGBT模塊的集電極電流為

(1)

除此之外,還設(shè)計驅(qū)動電路:采用信號發(fā)生器控制為方波,占空比保持50%,并根據(jù)需要調(diào)節(jié)頻率,采用集成芯片提供門級開通電壓VG(on)=+15V,關(guān)斷電壓VG(off)=-8V;設(shè)計負載控制電路:通過繼電器合閘,達林頓管起作用,使發(fā)光二極管導通,發(fā)光二極管亮的數(shù)目就是開通的繼電器的數(shù)目;設(shè)計電氣性能參數(shù)采集電路:試驗中使用Aglilent電壓及電流探頭相互配合,同時監(jiān)測IGBT模塊的開斷狀態(tài)下的電壓、電流波形,經(jīng)過示波器對數(shù)據(jù)進行存儲,得到在不同狀況下,IGBT模塊的開通、關(guān)斷下的電壓、電流動態(tài)波形。

圖1　 IGBT模塊電氣參數(shù)測試系統(tǒng)的主電路Fig.1　The main circuit of IGBT switching loss test system

設(shè)計IGBT模塊電氣參數(shù)測試試驗方案如表1所示。試驗期間保持環(huán)境溫度20℃。

表1　IGBT模塊電氣參數(shù)測試試驗設(shè)計方案

2　IGBT電氣參數(shù)測試結(jié)果

本試驗采用MMG75SR120B的IGBT模塊進行試驗,得到十六組開通電壓、電流,關(guān)斷電壓、電流的波形，經(jīng)過處理，通過雙Y軸曲線進行描述出來,如圖2，3所示為Ic=21A,fsw=10kHz時，開通和關(guān)斷電壓、電流的波形圖。

圖2　開通時電壓、電流波形圖Fig.2　Turn-on voltage and current waveform figure

圖3　關(guān)斷時電壓、電流波形圖Fig.3　Turn-off voltage and current waveform figure

3　IGBT電氣參數(shù)測試結(jié)果分析

對IGBT模塊電氣參數(shù)測試所得數(shù)據(jù)進行處理,提取每個測試點的開關(guān)特性參數(shù):開通時間、關(guān)斷時間、開通損耗和關(guān)斷損耗。

(2)

(3)

其中:Pon為開通損耗,Poff為關(guān)斷損耗,ton為開通時間,toff為關(guān)斷時間,Vce為集射極間電壓,IC為集電極電流。

由于實際測試所得IGBT開通、關(guān)斷波形與理論波形有一定差距，并且外電路的振蕩特性導致IGBT開關(guān)特性的波動性,因此定義此IGBT模塊開通時間、關(guān)斷時間如圖3所示。經(jīng)過MATLAB編程獲取每組試驗IGBT模塊的開通時間和關(guān)斷時間，如圖4所示。

圖4　IGBT模塊開關(guān)時間三維變化趨勢圖Fig.4　Switching time of IGBT module three dimensional change trend chart

由圖4可知:IGBT模塊的開通時間隨著集電極電流和開關(guān)頻率的增大變化不明顯；關(guān)斷時間隨著集電極電流的增大變化也不明顯,但隨著開關(guān)頻率的增大近似呈線性增長。

根據(jù)上述式(2)和式(3)得到每次試驗的開通損耗和關(guān)斷損耗,并對其進行Matlab數(shù)據(jù)處理,畫出IGBT模塊開通損耗、關(guān)斷損耗隨著開關(guān)頻率和集電極電流的增大而變化的曲線圖，如圖5和圖6所示，曲線上的圓圈代表實際試驗得到的損耗值，采用3次多項式插值對曲線進行插值，獲得的曲線精度高、平滑性好。

圖5　IGBT模塊開通損耗變化趨勢圖Fig.5　Turn-on loss of IGBT module change trend chart

由圖5可見，在IGBT模塊集電極電流一定的情況下,其開通損耗隨著開關(guān)頻率的增大呈線性增加。在IGBT模塊開關(guān)頻率一定的情況下,其開通損耗亦隨著集電極電流的增大近似呈線性增加。

利用插值的方法可以得到開通損耗的模型

Eon=aonIC+bonf+con。

(4)

式(4)中aon，bon，con分別為開通損耗的系數(shù)，可以通過數(shù)據(jù)擬合得到。

由圖6可見，在IGBT模塊集電極電流一定的情況下,其關(guān)斷損耗隨著開關(guān)頻率的增大都近似呈二次曲線增加;在IGBT模塊開關(guān)頻率一定的情況下,其關(guān)斷損耗亦隨著工作頻率的增大呈線性增加。

利用插值的方法可以得到關(guān)斷損耗的模型為

(5)

式中aoff，boff，coff，doff分別為關(guān)斷損耗的系數(shù)，可以通過數(shù)據(jù)擬合得到。

圖6　IGBT模塊關(guān)斷損耗變化趨勢圖Fig.6　Turn-off loss of IGBT module change trend chart

4　結(jié)　論

本文設(shè)計并搭建了IGBT模塊電氣參數(shù)測試系統(tǒng),通過分析開關(guān)波形獲取了IGBT模塊開通時間、關(guān)斷時間、開通損耗、關(guān)斷損耗等電氣參數(shù),并得到以下結(jié)論:

1)IGBT模塊的開通時間隨著集電極電流和開關(guān)頻率的增大變化不大;關(guān)斷時間隨著集電極電流的增大變化也不明顯,但隨著開關(guān)頻率的增大近似呈線性增長。

2)建立IGBT模塊新的損耗模型。在IGBT模塊集電極電流一定的情況下,其開通損耗隨著開關(guān)頻率的增大近似呈線性增加,其關(guān)斷損耗隨著開關(guān)頻率的增大近似呈二次曲線增加;在IGBT模塊開關(guān)頻率一定的情況下,其開通損耗和關(guān)斷損耗都隨著集電極電流的增大呈線性增加。

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(編輯李靜)

The test and analysis on switching loss of IGBT module

MEI Shuang, LI Zhi-gang, YAO Fang, ZHANG Ya-ling

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130， China)

According to the performance characteristic of IGBT module, depending on collector current and switching frequency, the test system on electrical parameter of IGBT module was designed and built.Through the experiments, IGBT module′s voltage and current during switching process were monitored. The switching time and loss of IGBT module were earned by dealt with the voltage and current waveforms by the software. On account of the analysis of the switching loss, the change rule of switching loss of IGBT module was obtained that with the increase of collector current and switching frequency.

IGBT module; switching waveform; turn-on time; turn-off time; turn-on time loss; turn-off loss

2015-04-10

國家自然科學基金資助項目(51377044)；河北省科技計劃基金資助項目(13214303D)

梅霜，女，江蘇徐州人，從事電器可靠性研究。

TM93

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10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-02-006