双脉冲测试SiC IGBT动态开关特性测量仪器与DIY 设备方案
2023-09-10 浏览次数：256
A dynamic power device analyzer, such as a double-pulse test system, is used to measure the dynamic characteristics of power transistors or diodes. In such a system, it is necessary to measure Vds, Vgs, Ids and Igs as shown in Figure 1 with an oscilloscope.
通常建议在系统调试之前进行双脉冲测试或测试IGBT模块特性。双脉冲测试通常基于半桥拓扑结构,在不同的负载条件下测试IGBT及相应二极管的特性。它适用于测试器件的特性及其控制,与逆变器批量生产前的测试效果类似。
A dynamic power device analyzer, such as a double-pulse test system, is used to measure the dynamic characteristics of power transistors or diodes. In such a system, it is necessary to measure Vds, Vgs, Ids and Igs as shown in Figure 1 with an oscilloscope.
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双脉冲测试能够用功率几乎可忽略不计的电源来测试电力电子器件在各种条件下的栅极驱动和动态特性,包括：
·不同温度下的特性；
·短路特性和短路关断；
·栅极驱动特性,比如RGon和RGoff的调节；
·关断时的过电压特性,例如有源钳位的调整；
·并联连接的均流特性；
·二极管恢复特性；
·开关损耗的测定。
双脉冲测试装置如图1所示。
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图1 双脉冲测试装置
如图1所示的双脉冲测试需要的组件为:直流电源,放电电路,直流母线,脉冲信号发生器,栅极驱动器,被测器件(DUT),负载。
需要测量电压和电流。负载根据测试上桥IGBT/二极管(VT1或VD1),还是测试下桥IGBT/二极管(VT2或VD2),切换到直流母线的DC-(B点)或DC+(A点)。一旦选择了上桥或下桥的IGBT,另一个IGBT的栅极需要用负电压钳位。因为可能会发生寄生效应,所以不建议IGBT的栅极钳位到0V。
通过一个可调电压、可限电流的高压直流电源给直流母线电容充电。电容器被充电后,电源应该从电容器组分离或者限制充电电流。这样在发生故障时,几乎没有能量或者只有非常少的能量被补充到直流母线。推荐使用积分电流控制的电源,如图2所示,同样也需要保证电容器组在测试后能够放电。作为一种规则,可在DC+和DC-之间安装放电电阻以实现电容放电。例如图1中开关S可以是IGBT。
直流母线的等效电感设计对ICBT和二极管的开关特性非常重要,因此直流母线的等效电感应该尽可能低,但也要考虑与预期的应用相对应。
图2 双脉冲测试所需直流高压电源
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空芯电感的典型尺寸如下：
·2.5kA/1.7kV/0.3ms
6-9-13-20-30-45-70-100-150-230-345-520μH
·100A/6.5kV/0.3ms
图3 双脉冲测试所需的空芯电感
如同IGBT模块和直流母线,栅极驱动器也对实际的开关特性起到关键作用。因此如果可能的话,双脉冲测试最好使用实际应用所需的栅极驱动器。然而这对于IGBT模块的特性测试不是绝对必要的。几家制造商都可以提供合适的IGBT栅极驱动解决方案,例如图4给出了2BB108和2BB0435,其适用1.7kV的IGBT模块。
图4 适合双脉冲测试的通用栅极驱动器
通过双脉冲发生器产生驱动所需要的脉冲如图5所示,要确保t1到t3的时间自由可调。但是,市场上把这种脉冲信号作为基本函数发生器的非常少,因此可以通过可编程的PC脉冲发生卡来产生双脉冲函数。
图5 脉冲发生器产生的脉冲
在第一个开关测试开始之前,必须计算负载电感。在下面的例子中,将要测试额定电流为1kA的1.7 KV IGBT模块。最大直流母线电压为1.2kV,最大开关电流2kA。t1和t3的和不得超过100μs，即
一旦负载电感确定,就可以开始测试了。首先是短脉冲和低电压。第一次实验开关之后,测得的电流应通过计算进行验证,以排除测量错误的可能性。通过前面的方程可以计算lc。在开始测量之前,假设t1和t3的脉冲宽度是50μs,而母线电压是800V,那么测试电流应是667A,即
如果测量设置和设定是正确的,通过不同的测试参数就可以确定二极管和IGBT的开关特性。图6给出了由双脉冲测试测得的IGBT动态开关特性。
图6 由双脉冲测试测得的IGBT动态开关特性
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实验所需仪器：
1、数字示波器 IWATSU DS-8000 16Bit 8通道高速示波器 ，含嵌入式SWA 半导体动态测试套装。
2、信号源 IWATSU DG-8000 或 力高捷创 DPS-201 双通道光隔离双脉冲信号源
3、罗氏电流探头 IWATSU SS-625M / IWATSU SS-285A / PEM CWT MINI 06B
4、高压差分探头 PMK BUMBLEBEE 400Mhz/2000Vrms
5、高压直流电源 DPT4005或DPT2005 4KV或2KV连续可调高压直流电源
整理：长沙力高捷创仪器有限公司
完整方案咨询：0731-85260926
图1 双脉冲测试装置
如图1所示的双脉冲测试需要的组件为:直流电源,放电电路,直流母线,脉冲信号发生器,栅极驱动器,被测器件(DUT),负载。
需要测量电压和电流。负载根据测试上桥IGBT/二极管(VT1或VD1),还是测试下桥IGBT/二极管(VT2或VD2),切换到直流母线的DC-(B点)或DC+(A点)。一旦选择了上桥或下桥的IGBT,另一个IGBT的栅极需要用负电压钳位。因为可能会发生寄生效应,所以不建议IGBT的栅极钳位到0V。
通过一个可调电压、可限电流的高压直流电源给直流母线电容充电。电容器被充电后,电源应该从电容器组分离或者限制充电电流。这样在发生故障时,几乎没有能量或者只有非常少的能量被补充到直流母线。推荐使用积分电流控制的电源,如图2所示,同样也需要保证电容器组在测试后能够放电。作为一种规则,可在DC+和DC-之间安装放电电阻以实现电容放电。例如图1中开关S可以是IGBT。
直流母线的等效电感设计对ICBT和二极管的开关特性非常重要,因此直流母线的等效电感应该尽可能低,但也要考虑与预期的应用相对应。
图2 双脉冲测试所需直流高压电源
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负载电感可以使用空芯电抗器,如图3所示。双脉冲测试需要转换的能量非常低,因此负载电感不必消耗任何热量。然而,绕组必须能够承受脉冲电流和电压范围。
空芯电感的典型尺寸如下：
·2.5kA/1.7kV/0.3ms
6-9-13-20-30-45-70-100-150-230-345-520μH
·100A/6.5kV/0.3ms
0.78-1.17-1.75-2.63-3.94-5.91-8.87-13.30-19.95-30.00mH
图3 双脉冲测试所需的空芯电感
如同IGBT模块和直流母线,栅极驱动器也对实际的开关特性起到关键作用。因此如果可能的话,双脉冲测试最好使用实际应用所需的栅极驱动器。然而这对于IGBT模块的特性测试不是绝对必要的。几家制造商都可以提供合适的IGBT栅极驱动解决方案,例如图4给出了2BB108和2BB0435,其适用1.7kV的IGBT模块。
图4 适合双脉冲测试的通用栅极驱动器
通过双脉冲发生器产生驱动所需要的脉冲如图5所示,要确保t1到t3的时间自由可调。但是,市场上把这种脉冲信号作为基本函数发生器的非常少,因此可以通过可编程的PC脉冲发生卡来产生双脉冲函数。
图5 脉冲发生器产生的脉冲
在第一个开关测试开始之前,必须计算负载电感。在下面的例子中,将要测试额定电流为1kA的1.7 KV IGBT模块。最大直流母线电压为1.2kV,最大开关电流2kA。t1和t3的和不得超过100μs，即
一旦负载电感确定,就可以开始测试了。首先是短脉冲和低电压。第一次实验开关之后,测得的电流应通过计算进行验证,以排除测量错误的可能性。通过前面的方程可以计算lc。在开始测量之前,假设t1和t3的脉冲宽度是50μs,而母线电压是800V,那么测试电流应是667A,即
如果测量设置和设定是正确的,通过不同的测试参数就可以确定二极管和IGBT的开关特性。图6给出了由双脉冲测试测得的IGBT动态开关特性。
图6 由双脉冲测试测得的IGBT动态开关特性
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实验所需仪器：
1、数字示波器 IWATSU DS-8000 16Bit 8通道高速示波器 ，含嵌入式SWA 半导体动态测试套装。
2、信号源 IWATSU DG-8000 或 力高捷创 DPS-201 双通道光隔离双脉冲信号源
3、罗氏电流探头 IWATSU SS-625M / IWATSU SS-285A / PEM CWT MINI 06B
4、高压差分探头 PMK BUMBLEBEE 400Mhz/2000Vrms
5、高压直流电源 DPT4005或DPT2005 4KV或2KV连续可调高压直流电源
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