基于大功率IGBT離線測試臺的技術(shù)實踐

陳宏+李武華

摘 要 為了深入研究新型功率器件IGBT，在技術(shù)實踐中開展大功率IGBT離線測試研究，模擬實際運行工作狀況，分析器件在不同工作狀況的性能和可靠性，為大功率變流設(shè)備提供器件級的參考和指導，使IGBT研究人員在技術(shù)實踐中形成IGBT測試的工程能力和研究能力。在研究新型功率器件的同時進行工作測試和性能驗證的技術(shù)實踐實踐，對于深入掌握大功率變流設(shè)備性能指標具有重要意義。

關(guān)鍵詞 絕緣柵雙極型晶體管 功率器件 可靠性 功率損耗

中圖分類號：TM464 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.11.018

Abstract In order to explore the deep research of IGBT， the technical practice for the off-line testing research of the large power IGBT is conducted， the actual working conditions are simulated， the IGBT working status and reliability are analyzed， so as to provide the reference and guide for the high power converters. The practice sets up the students active learning IGBT， cultivates researchers engineering ability and research creativity on IGBT component testing. The technical practice including the working testing and the quality verification is conducted with the new power component research， which has great significance on the deeply learning the high power converters characteristics.

Keywords IGBT； power component； reliability； power loss

0 引言

隨著中國電網(wǎng)發(fā)展，特別是以風電和太陽能發(fā)電為代表的可再生能源的快速發(fā)展，極大地推動電網(wǎng)新技術(shù)的應用規(guī)模和發(fā)展進程。[1]功率半導體器件是實現(xiàn)電能的傳輸、轉(zhuǎn)換及其過程控制的核心部件，它使電能的使用更高效、更節(jié)能、更環(huán)保，將“粗電”變?yōu)椤熬姟?，因此它是?jié)能減排的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)。[2]絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）結(jié)合了金屬氧化物半導體場效應晶體管（metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET）和雙極型功率晶體管（bipolar junction transistor，BJT）的優(yōu)點。[3]IGBT兼有高輸入阻抗和低導通壓降的優(yōu)點，家用電器、相機、手機等等都可以用到IGBT。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，作為電力電子重要大功率主流器件之一，IGBT廣泛應用在于家用電器、交通運輸、電力工程、可再生能源和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域，在工業(yè)應用方面，如交通控制、功率變換、工業(yè)電機、不間斷電源、風電與太陽能設(shè)備，以及用于自動控制的變頻器。大功率IGBT 模塊作為主功率開關(guān)器件，廣泛應用在新能源風力發(fā)電系統(tǒng)、軌道交通牽引變流設(shè)備和高壓直流輸電等領(lǐng)域。[4]由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達到20～30V，因靜電而導致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此在技術(shù)實踐中，針對 IGBT器件的性能測試和失效研究就顯得非常重要。

在IGBT的大功率設(shè)備應用中，與變換器效率直接相關(guān)的損耗問題一直是各國學者研究的熱點，其中如何準確估算變換器的損耗是研究的重要內(nèi)容之一，在較高的開關(guān)頻率下準確估算開關(guān)損耗一直是功率變換器損耗分析的重點，也是難點。[5]當IGBT重復開通、關(guān)斷時， 在熱沖擊的反復作用下產(chǎn)生失效或疲勞效應，其工作壽命與可靠性將影響到整個裝置或系統(tǒng)的正常運行，有統(tǒng)計指出， 電子器件產(chǎn)生失效的原因大約有55%是由于過熱及與熱相關(guān)的問題造成的，溫度改變會引起材料的屬性變化， 而由此帶來電容量、阻抗值等的改變將影響電氣信號的傳輸特性的失效是與其動態(tài)特性相關(guān)的復雜過程，國內(nèi)外諸多文獻已經(jīng)對的失效機理進行了研究，但很少有文獻對失效前后的結(jié)溫溫度分布進行實時探測研究。[6]IGBT 模塊作為功率變流器的主要部件，因IGBT 失效而導致功率變流器的故障率較高，[7]作為能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷琁GBT器件的功能失效將會造成系統(tǒng)運行癱瘓，導致嚴重的安全事故，甚至產(chǎn)生重大經(jīng)濟損失，因此利用大功率IGBT離線測試臺作為研究IGBT器件特性的技術(shù)實踐，使IGBT研究人員采用實踐中的相應測試電路，模擬實際運行工作狀況，分析器件在不同工作狀況的電氣應力、開關(guān)導通特性以及開關(guān)工作軌跡，為深入掌握大功率變流設(shè)備性能指標、進一步了解IGBT器件運行參數(shù)提供了途徑，對于發(fā)展國內(nèi)IGBT研究水平、培養(yǎng)IGBT器件研究領(lǐng)域的科技人才也具有積極的指導意義。

1 實踐內(nèi)容

技術(shù)實踐內(nèi)容包括學習大功率IGBT離線測試臺的工作原理、實際測量、測量結(jié)果記錄和分析三個方面。

1.1 大功率IGBT離線測試臺的工作原理

隨著大功率高壓電力電子器件的發(fā)展， 出現(xiàn)了以IGBT 、MOSFET等固態(tài)器件為開關(guān)元件的調(diào)制器， 其中IGBT具有MOSFET的快速通斷和電力晶體管大電流耐壓高的雙重優(yōu)點， 在固態(tài)調(diào)制器工程應用中占有明顯優(yōu)勢。[8]在大功率IGBT離線測試中分高壓側(cè)測試和低壓側(cè)測試兩部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。endprint

若不考慮線路損耗，則功率變換器的損耗主要由3 部分構(gòu)成：（1）功率半導體器件開通、關(guān)斷過程的開關(guān)損耗；（2）導通狀態(tài)下的通態(tài)損耗；（3）關(guān)斷狀態(tài)下的截止損耗。隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗在變換器總損耗中所占比例逐漸增大，并成為影響變換器效率的主要因素。然而，開關(guān)過程持續(xù)時間通常極短，且暫態(tài)過程的電壓、電流波形不僅與電路及器件本身寄生參數(shù)有關(guān)，還與導通電流有關(guān)，增加了開關(guān)損耗估算的難度。[5]因此，大功率IGBT離線測試中采用幾種獨特的技術(shù)方法：

（1）采用獨立雙加熱測試的功能，實現(xiàn)了IGBT和續(xù)流二極管的結(jié)溫解耦控制，從而更好地模擬功率器件在實際運行工作狀況中的結(jié)溫分布不均勻現(xiàn)象。

（2）提出了時間補償算法，可將測試設(shè)備中的雜散電阻損耗轉(zhuǎn)化為預充電時間的增量，確保電流測試的準確性。

（3）低壓大電流測試對于環(huán)路寄生電感參數(shù)十分敏感，要求較大的母線電容值。采用一體化母線排，實現(xiàn)低壓母線電容組與被測IGBT緊湊連接。而高壓測試可以采用相對較小的母線電容值，通過電解電容的串聯(lián)來獲得高電壓，設(shè)置大面積一體化吸收電容組減少寄生電感對測試結(jié)果的影響。這種分級處理的測試電路，具備多檔驅(qū)動電平，優(yōu)化了驅(qū)動設(shè)計。

大功率IGBT離線測試裝置如圖2所示。

1.2 大功率IGBT離線測試臺的實驗內(nèi)容

針對高于1700V 電壓等級的大功率IGBT 模塊，大功率IGBT 模塊開關(guān)特性測試系統(tǒng)具有半橋拓撲結(jié)構(gòu)。測試電路的結(jié)構(gòu)采用一體化母排設(shè)計，易于器件的拆裝和不同驅(qū)動電路的搭配。控制上采用雙脈沖測試法，針對不同工作電流等級的實際需求，實時調(diào)整脈寬，達到所需的工作控制需求。大功率IGBT離線測試裝置模擬IGBT的實際運行工況，實現(xiàn)全范圍的開關(guān)特性測試。

基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)來實現(xiàn)IGBT模塊開關(guān)特性自動化測試流程，以LabVIEW控制軟件為核心，與示波器和DSP控制板進行通信完成測試參數(shù)的設(shè)置，測試指令的下達和測試結(jié)果的保存。整個測試流程全部在LabVIEW上進行操作和控制；以MATLAB數(shù)學運算為核心，對測試數(shù)據(jù)進行開關(guān)特性參數(shù)的提取和參數(shù)變化趨勢的描繪?？刂葡到y(tǒng)充分利用計算機的軟硬件資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示、存儲與分析一體化，測試流程簡單靈活方便。

在大功率IGBT離線測試中能夠針對不同廠商生產(chǎn)的IGBT器件、不同類型IGBT器件，分析和對比IGBT器件的安全運行軌跡和開關(guān)特性，從硬件電路測試和虛擬軟件模擬的分析兩個方面進行損耗對比、高溫特性對比、可靠性對比的研究。如圖3所示為英飛凌IGBT反向恢復運行軌跡和三菱IGBT反向恢復運行軌跡的測試結(jié)果。

基于LabVIEW 的虛擬儀器技術(shù)來實現(xiàn)IGBT 模塊開關(guān)特性自動化測試流程，以LabVIEW 控制軟件為核心，與示波器和DSP 控制板進行通信完成測試參數(shù)的設(shè)置，測試指令的下達和測試結(jié)果的保存。整個測試流程全部在LabVIEW 上進行操作和控制；以MATLAB 數(shù)學運算為核心，對測試數(shù)據(jù)進行開關(guān)特性參數(shù)的提取和參數(shù)變化趨勢的描繪?？刂葡到y(tǒng)充分利用計算機的軟硬件資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示、存儲與分析一體化，測試流程簡單靈活方便。

1.3 大功率IGBT離線測試臺的實驗結(jié)果

對不同關(guān)斷電壓和集電極電流下的開關(guān)能量與過沖的數(shù)據(jù)庫分析結(jié)果如圖4所示，從左至右分別為開通能量、關(guān)斷能量、電壓過沖、電流過沖的測量結(jié)果[9]。

實現(xiàn)的測量可以達到電壓100V至4500V的測量范圍，電流50A至3600A的測量范圍，環(huán)境溫度室溫至125攝氏度的測量范圍。其中門極電壓、門極電阻和環(huán)路電感都可以自動或者半自動設(shè)置，測量系統(tǒng)采用帶寬300MHz，采用率2.5G/s，可以滿足所有的商用大功率IGBT器件動態(tài)測試的需求。

2 實踐效果

大功率IGBT離線測試臺在技術(shù)實踐中針對IGBT研究中的實際問題開展實驗，使實踐為IGBT科學研究服務(wù)，有效地提高了IGBT研究人員的科研能力，取得了良好的技術(shù)實踐效果。

2.1 自制設(shè)備符合實踐需求

首先作為自制的實驗設(shè)備，IGBT離線測試臺的測試內(nèi)容和實際需求能夠更好地吻合，有針對性地解決IGBT研究中的實際問題。

IGBT的物理模型涉及半導體物理，器件的制造工藝等專業(yè)知識，但是在IGBT 的工程使用當中，在缺乏IGBT結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造工藝指標的條件下，IGBT物理模型缺乏實用性，并不能直接作為IGBT器件的技術(shù)參數(shù)；其次，IGBT器件生產(chǎn)廠商提供的器件開關(guān)動態(tài)特性的相關(guān)曲線與測試數(shù)據(jù)具有測試條件的局限性，難以預測IGBT 在實際特定的運行環(huán)境下的工作特性，使得用戶在實際應用中，生產(chǎn)廠商提供的測試數(shù)據(jù)，沒有真正的參考價值，不能有效指導用戶使用IGBT；大功率IGBT 離線測試裝置擺脫了上述制約條件的局限，發(fā)揮測試裝置的優(yōu)勢，改變工作條件分析器件的電氣應力，分析開通、關(guān)斷時的導通損耗以及運行軌跡的數(shù)據(jù)分布規(guī)律，模擬IGBT實際運行的工作條件，建立相應電壓、電流下的測試電路，分析不同電壓、電流條件對于IGBT工作特性的影響，從而為篩選符合設(shè)計需要的IGBT 模塊提供參考數(shù)據(jù)，同時合理配置相應的驅(qū)動參數(shù)，做出具體工作條件下的損耗的評估，實現(xiàn)了最高4500V的測量電壓，最高3600A的測量電流，最高125攝氏度的測量范圍，測量達到帶寬300MHz，采用率2.5G/s，可以滿足所有的商用大功率IGBT器件動態(tài)測試的需求。這對在研究設(shè)計中需要實行冗余、容錯的控制策略，確保整個系統(tǒng)在不損失性能指標、或者不降低部分性能指標的前提條件下安全運行具有重要意義，有效地提高大功率設(shè)備的運行效率，實現(xiàn)了對所研究的電力電子裝置的壽命預測。開展大功率IGBT離線測試臺的技術(shù)實踐，使實驗測試內(nèi)容和實際需求能夠更好地吻合，達到把實踐技能的訓練與科學研究融為一體的實踐效果。endprint

2.2 實踐內(nèi)容為IGBT研究服務(wù)

IGBT離線測試臺針對IGBT工作特性做研究和測試，做到IGBT研究的工作理論聯(lián)系實踐，起到很好的技術(shù)示范作用。

IGBT作為功率器件，工作的可靠性是IGBT的重要技術(shù)指標?？煽啃允蔷哂性谝?guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定的功能的能力，研究IGBT可靠性工作的影響因素，在大功率IGBT離線測試臺上有針對性地測試IGBT的失效機理，通過加速老化試驗的數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)的測量可以達到電壓100V至4500V的測量范圍，電流50A至3600A的測量范圍，環(huán)境溫度室溫至125攝氏度的測量范圍，分析了開通能量、關(guān)斷能量、電壓過沖、電流過沖的測量結(jié)果。不僅為IGBT器件特性的分析提供測量平臺，為變流器的器件選型提供參考，而且開展技術(shù)實踐有助于培養(yǎng)IGBT器件研究領(lǐng)域的科技人才，因此大功率IGBT離線測試臺的實踐成為IGBT理論聯(lián)系實踐的實踐典范。

3結(jié)語

大功率IGBT離線測試裝置為研究IGBT器件特性提供技術(shù)實踐，開展了IGBT功率器件的過沖電流、電壓分析[9]、失效率和失效模式研究、[10]熱-電耦合模型建模[11]研究等等研究。

科學研究離不開技術(shù)實踐，科學研究的成果常常來自于技術(shù)實踐，科研人員能力的提高也來自于技術(shù)實踐。馮·格拉塞斯費爾德指出：“我們應該把知識與能力看作是個人建構(gòu)自己經(jīng)驗的產(chǎn)物”。[12]大功率IGBT離線測試臺已經(jīng)成為IGBT研究人員研究新型大功率器件工作特性必不可少的設(shè)備，從測試現(xiàn)象中分析工作電路中的損耗和失效機理，逐步建立理論學習到技術(shù)應用的知識轉(zhuǎn)換。自制大功率IGBT離線測試臺，模擬高性能和高可靠性大功率變流設(shè)備工作的技術(shù)實踐平臺，緊密聯(lián)系實踐，提高了技術(shù)實踐的研究水平，使技術(shù)實踐為IGBT的研究服務(wù)，激發(fā)了IGBT科研人員深入研究的興趣，理論聯(lián)系實際，提高了IGBT科研人員的實踐操作能力和研究能力，培養(yǎng)IGBT器件研究領(lǐng)域的科技人才，為電力電子技術(shù)研究人員在IGBT器件領(lǐng)域方面的深入研究發(fā)揮了重要作用。

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