IGBT的短路測試

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

前言

我們說，IGBT的雙脈沖實(shí)驗(yàn)和短路實(shí)驗(yàn)一般都會(huì)在一個(gè)階段進(jìn)行，但是有的時(shí)候短路測試會(huì)被忽略，原因有些時(shí)候會(huì)直接對裝置直接實(shí)施短路測試，但是此時(shí)實(shí)際上并不是徹底和充分的。常見的情況有：

①?zèng)]有進(jìn)行IGBT短路實(shí)驗(yàn)

覺得這個(gè)實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)太大，容易炸管子，損失太大或者覺得短路時(shí)電流非常大，這樣很恐怖。

②進(jìn)行了短路測試

但是測試時(shí)候的判斷標(biāo)準(zhǔn)較簡單，對IGBT的短路行為沒有進(jìn)行較為仔細(xì)的觀察和考證。

這樣做可能會(huì)導(dǎo)致后期裝置出現(xiàn)由于IGBT短路相關(guān)導(dǎo)致的故障時(shí)，排查和處理起來較為麻煩，所以在使用起初，認(rèn)真地對IGBT進(jìn)行短路測試是非常必要。

短路分為兩種：

橋臂內(nèi)短路(直通)：

我們稱之為“一類短路”，一般為橋臂直通導(dǎo)致的，硬件或軟件失效造成的，此時(shí)短路回路中的電感量很小(100nH)，一般我們會(huì)采用VCE(sat)檢測來實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。

橋臂間短路(大電感短路)：



我們稱之為“二類短路”，一般為相間短路或者是相對地短路，此時(shí)短路回路中的電感較大(uH級別)，可以使用VCE(sat)檢測或是使用霍爾檢測電流變化來實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，這類短路中的電感量是不確定的。

一般我們所說的短路測試是針對橋臂內(nèi)短路情形來說的，下面就讓我們來了解下IGBT的短路測試到底是什么樣的。

2、短路測試

電網(wǎng)電壓經(jīng)過調(diào)壓器和接觸器，將母線電容電壓充到所需要的值，再斷開接觸器。上管IGBT的門極被關(guān)斷，且上管用粗短的銅排進(jìn)行短路。對下管IGBT釋放一個(gè)單脈沖，直通就形成了。

短路測試中需要注意以下事項(xiàng)：

①該測試的關(guān)注對象是電容組，母排，雜散電感，被測IGBT；

②短路回路中的電感量很低，所以上管的短路排的電感量可以極大地影響測量的結(jié)果，因此絕不可忽視“粗短銅排”的長短和粗細(xì)(當(dāng)然，這里不一定非得使用銅排，電感量很低的導(dǎo)線也是可以的)；

③短路測試的能量全部來自母排電容組，通常來說，雖然短路電流很大，但是因?yàn)闀r(shí)間極短，所以這個(gè)測試所消耗的能量很小，實(shí)驗(yàn)前后電容上的電壓不會(huì)有明顯變化；

④上管IGBT是被一直關(guān)斷的，但是這個(gè)器件不可或缺，因?yàn)橄?br />
管被關(guān)斷后，短路電流還需要由上管二極管續(xù)流；

⑤該測試需要測量三個(gè)物理量，分別是，下管的Vce，Vge，及Ic；

⑥電流探頭需要測量Ic的位置，而不是短銅排的電流，這兩個(gè)位置的電流波形是不同的；

⑦下管IGBT的脈沖需要嚴(yán)格控制，最開始實(shí)驗(yàn)可以使用10us，然后逐步增加；

⑧環(huán)境溫度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大的影響，通常datasheet給出的高結(jié)溫的結(jié)果；對應(yīng)用者而言，常溫實(shí)驗(yàn)是比較現(xiàn)實(shí)的；但低溫時(shí)的短路測試會(huì)比較苛刻，如果系統(tǒng)規(guī)格有低溫要求時(shí)，是有必要進(jìn)行測試的；

⑨在此實(shí)驗(yàn)前需要對直流母排的雜散電感有一定的評估，或者用雙脈沖測試方法對IGBT關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰進(jìn)行評估，以把握好短路時(shí)的電壓尖峰，這個(gè)值可能會(huì)非常高；

短路測試步驟：

⑴在弱電情況下，確認(rèn)所發(fā)單脈沖的寬度；

⑵將母線電壓調(diào)至20~30V，發(fā)送一個(gè)單脈沖，此時(shí)也會(huì)發(fā)生短路，會(huì)有一定的電流，利用此步驟確認(rèn)電流探頭的方向及其他各物理量測量正確，同時(shí)確認(rèn)示波器能正確捕捉該瞬間；這個(gè)步驟會(huì)比較安全；

⑶短路測試時(shí)，母線不宜過低，否則可能會(huì)見到一些奇異的震蕩；對于1200V的IGBT，母線為500V起；1700V的IGBT，母線為700V起；3300V的IGBT，1000V起；(最近遇到一個(gè)問題：在做1000A/1700VIGBT模塊短路測試時(shí)，母線電壓加到900V時(shí)，模塊發(fā)生失效，暫時(shí)還沒有找到具體原因，等找到原因會(huì)再分享出來的)。

⑷母線加到額定點(diǎn)，將進(jìn)線接觸器斷開，放出單脈沖，裝置會(huì)發(fā)出“咚”的一聲響，確認(rèn)示波器捕捉到該時(shí)刻；

⑸通常來說，如果一切都設(shè)置正確的話，短路測試是很容易成功的，但也可能由于某些細(xì)節(jié)沒有處理好，存在一定的幾率，該測試會(huì)失敗——這個(gè)IGBT會(huì)失效，并將電容的能量全部放掉，一般不會(huì)爆炸得很厲害；

⑹第一次發(fā)10us的脈沖實(shí)際上是一種嘗試性測試，其目的是，在盡量低風(fēng)險(xiǎn)的情況下，對設(shè)備的短路性能進(jìn)行最初步的摸底；

⑺如果第一次10us測試已經(jīng)發(fā)現(xiàn)波形有問題，則需要整改；

⑻如果第一次10us測試發(fā)現(xiàn)IGB沒有發(fā)生退飽和現(xiàn)象，則可能意味著短路回路電感量太大，需要整改；

⑼如果第一次10us測試發(fā)現(xiàn)波形正常，可以脈沖延長至12us，再做，再延長到15us，再做，如果發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器釋放出來的脈沖不再增長，則意味著驅(qū)動(dòng)器對IGBT進(jìn)行了保護(hù)，否則，意味著驅(qū)動(dòng)器保護(hù)電路設(shè)置有問題，需要整改；

實(shí)例簡述

下面是某模塊短路測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

ⅰ 用電流的上升率di/dt求出短路回路中的全部電感量，再減去之前測出的雜散電感，就能得到插入的銅排的感量；

ⅱ 關(guān)注短路電流的最高值，與datasheet中標(biāo)注的值進(jìn)行比較，是否過高，電流是否有震蕩；

ⅲ 從IGBT退飽和算起，至電流被關(guān)斷，期間的時(shí)間是否控制在10us內(nèi)，這個(gè)條件是不可以妥協(xié)的；

ⅳ 短路電流的峰值與門極鉗位電路有很大的關(guān)系，如果門極鉗位性能不好，短路電流峰值會(huì)很高；(門極鉗位電路出現(xiàn)的原因是因?yàn)槊桌招?yīng)的存在，我們上篇文章有提到過，在IGBT短路時(shí)，米勒電容會(huì)影響門極電壓，導(dǎo)致短路電流激增，使IGBT承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。越大容量的IGBT，米勒效應(yīng)越強(qiáng)，門極鉗位電路越重要！)

ⅴ 關(guān)注Vce電壓，需要多久才退飽和，在關(guān)斷時(shí)刻時(shí)，Vce電壓尖峰有多高，是否存在危險(xiǎn)，有源鉗位是否動(dòng)作；

ⅵ 門極電壓的評判需要比較謹(jǐn)慎，因?yàn)檫@個(gè)測試di/dt及du/dt都很大，門極探頭很容易測不準(zhǔn)。

第二種測試方法

下面是第二種測試方法：

給上管IGBT驅(qū)動(dòng)器一個(gè)常高信號(hào)，使上管保持開通，再給下管發(fā)單脈沖。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是，確保短路回路中的電感量就是直流母線的雜散電感，足夠低。當(dāng)然，這可能談不上是第二種方法，只是優(yōu)化了短路實(shí)現(xiàn)的條件，將上面的“粗短銅排”的電感帶來的影響消除了。

上面提到最近實(shí)驗(yàn)中遇到的一個(gè)問題，就是測1000A/1700V模塊時(shí)，母線加到900V時(shí)模塊失效，失效時(shí)的波形如下：

我們可以看到，此時(shí)的電流Ic瞬間沖得很高，門極電壓也很大，伴隨的現(xiàn)象是，門極驅(qū)動(dòng)電路那塊發(fā)生了嚴(yán)重的燒毀，具體原因還在分析。

審核編輯 黃昊宇