雙脈沖測試是否能夠反映器件在真實換流中的各種電應(yīng)力

大家好，前段時間在知乎上看到有個網(wǎng)友問：“在大功率變頻器應(yīng)用中，我們常用雙脈沖測試評估器件的動態(tài)特征，在實際中有可比性嗎？”感覺這個問題提的比較好，也是作者想和大家討論的一個話題，那我們這期就來聊聊雙脈沖測試是否能夠反映器件在真實換流中的各種電應(yīng)力。

圖1.雙脈沖測試電路原理

通常情況下，為了測試器件的動態(tài)特性，我們都會搭建一個通用的雙脈沖測試平臺。測試平臺的功率回路部分包含了疊層母排、母線電容、待測功率器件和驅(qū)動電路。雙脈沖測試電路的原理為半橋電路，如圖1所示。由于這個電路比較簡單，因此設(shè)計的母排雜散電感可以控制在幾十個nH。

在通用的測試平臺上進(jìn)行雙脈沖測試的主要目的為：

1、測量IGBT的各項動態(tài)參數(shù)（tdon、Eon、tr、tdoff、tf、Eoff等）；

2、測試功率器件不同溫度下的特性；

3、測試器件的短路特性以及短路關(guān)斷特性；

4、對比同一品牌不同型號或者同一型號不同品牌的IGBT的性能；

5、獲取IGBT開關(guān)參數(shù)，用以評估門極驅(qū)動及保護(hù)電路是否合適；

然而實際我們設(shè)計的電力電子裝置，會綜合考慮各種因素，功率模組的結(jié)構(gòu)也會千差萬別。同時由于器件的開關(guān)特性與驅(qū)動電路、母排結(jié)構(gòu)相互耦合，在通用平臺上的測試結(jié)果并不適應(yīng)于用真實的功率模組。因此在設(shè)計出功率模組后，我們還要進(jìn)行雙脈沖測試。當(dāng)然如果你的通用測試平臺換流回路的雜散電感和真實逆變器功率模組換流回路的雜散電感一樣的話，就沒必要再重新測試了。

在實際應(yīng)用的功率模組上進(jìn)行雙脈沖測試主要目的為：

1、測試IGBT的關(guān)斷過電壓，評估實際應(yīng)用是否需要加吸收電路；

2、測試二極管的反向恢復(fù)特性和安全裕量；

3、測量母排的雜散電感，評估是否可進(jìn)一步優(yōu)化；

4、測量器件真實的開關(guān)損耗，用以評估功率模組的的散熱性能；

5、測量器件串并聯(lián)應(yīng)用時的均壓、均流特性；

看到這里大家應(yīng)該明白了，在進(jìn)行雙脈沖測試時我們可以基于兩種硬件測試平臺。一般情況下，功率半導(dǎo)體器件原廠或器件驅(qū)動廠商更傾向于搭建通用型的雙脈沖測試平臺，測試重點(diǎn)在于器件或驅(qū)動的動態(tài)參數(shù)。而器件應(yīng)用廠家更傾向于在真實的變流裝置上進(jìn)行雙脈沖測試，測試重點(diǎn)在于器件的電流、電壓應(yīng)力是否在安全范圍之內(nèi)。

回到主題，雙脈沖測試能反映IGBT實際運(yùn)行過程中電應(yīng)力嗎？或者說，通過雙脈沖測試評估器件的動態(tài)特征，在實際中有可比性嗎？

答案是肯定的，前提條件是：雙脈沖測試一定要基于實際應(yīng)用的逆變器功率模組。

主要有兩點(diǎn)原因：

1、當(dāng)一個逆變器功率模組設(shè)計完成后，母排的寄生參數(shù)就固定不變了，因此每個功率器件換流回路的雜散電感也就固定了，它不依賴于負(fù)載的大小和接線方式。

以三相兩電平電壓型逆變器為例，如圖2所示，當(dāng)逆變器模組結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，每個IGBT換流回路的雜散電感就固定不變了（可能會有所差異）。例如：S1和S2換流回路CCLA的雜散電感Lσa=Lσ1，S3和S4換流回路CCLB的雜散電感Lσb=Lσ2，S5和S6換流回路CCLC的雜散電感Lσc=Lσ3，三個換流回路的雜散電感互不影響。

圖2 三相逆變器1

可能有些小伙伴會問，如果a b c三相橋臂換流回路在物理上有重疊的部分會不會有影響呢？就像圖3所示，S1和S2換流回路雜散電感Lσa=Lσ1，S3和S4換流回路的雜散電感Lσb=Lσ1+Lσ2，S5和S6換流回路的雜散電感Lσc=Lσ1+Lσ2+Lσ3。

圖3 三相逆變器2

對于這種換流回路雖然物理上有重疊部分，但是依然沒有影響，最多就是C和B兩相功率器件的換流雜散電感要大一些，至于為什么看第二條。

2、對于逆變器大部分調(diào)制策略，每次切換開關(guān)狀態(tài)時，只會切換一個功率開關(guān)器件，也就是某一時刻只會存在一種換流暫態(tài)過程。這就能保證一個器件開關(guān)暫態(tài)過程不會受其它器件的影響。

在這里希望大家建立幾個時間概念：

①器件的換流暫態(tài)時間為百ns級別，取決于驅(qū)動、器件特性和母排寄生參數(shù)；

②器件的穩(wěn)態(tài)工作（導(dǎo)通或阻斷）時間為百us或ms級別，取決于開關(guān)頻率；

③死區(qū)時間是為了保證同一橋臂一個器件完全關(guān)斷后（換流結(jié)束后），再開另一個器件，因此時間要大于換流暫態(tài)時間，一般為幾個us；

逆變器的開關(guān)函數(shù)模型時都是在器件穩(wěn)定狀態(tài)下建立的。根據(jù)被控對象和開關(guān)函數(shù)模型我們就可以控制IGBT的開通和關(guān)斷了。簡單的理解是每個IGBT什么時候開（關(guān)），開（關(guān)）多長時間是由控制器決定的。

在分析逆變器的開關(guān)狀態(tài)時，我們一般會針對每一相橋臂定義二值邏輯開關(guān)函數(shù)[1]：

也就是說在逆變器工作時，每個橋臂只有2種開關(guān)狀態(tài)（上開下關(guān)或上關(guān)下開），其它狀態(tài)是不允許出現(xiàn)的，因為兩個同時開會短路炸雞，兩個同時關(guān)就停機(jī)了。

而對于一個三相兩電平逆變器而言，一共有8種開關(guān)狀態(tài)：000，001，010，011，100，101，110，111。逆變器的正常工作狀態(tài)就是在這8種狀態(tài)中來回切換，只是每次只會切換一個開關(guān)器件。

綜合以上兩點(diǎn)原因，既然換流回路的雜散電感都已經(jīng)固定不變了，而且逆變器運(yùn)行時器件的換流暫態(tài)過程又互不影響，所以雙脈沖測試的結(jié)果和實際運(yùn)行的結(jié)果是一樣的。

舉個例子可能大家就明白了，我們都知道在學(xué)習(xí)舞蹈的時候，一般會將一整支舞蹈的動作進(jìn)行分解，然后對每一個動作單獨(dú)練習(xí)，熟練后連貫起來，配上音樂就可以了，借用一下最近比較火的拉丁舞小胖妞照片，超萌，超可愛。

而對于一個三相兩電平逆變器來說，從系統(tǒng)角度看有8種開關(guān)狀態(tài)：000，001，010，011，100，101，110，111?？刂破鞯墓ぷ骶褪窃谶@8種狀態(tài)中按照一定的規(guī)則進(jìn)行切換。通過對不同狀態(tài)的組合、排序，逆變器就會輸出一個你想要的優(yōu)美的波形了。

雖然只有8種開關(guān)狀態(tài)，但是根據(jù)電流方向來劃分的話，電流的回路就有很多種了。如果定義電流從橋臂流向負(fù)載為正，從負(fù)載流向橋臂為負(fù)，那一共有8種組合：（ia>0, ib>0, ic>0）、（ia>0, ib>0, ic<0）、（ia>0, ib<0, ic>0）、（ia>0, ib<0, ic<0）、（ia<0, ib>0, ic>0）、（ia<0, ib>0, ic<0）、（ia<0, ib<0, ic>0）和（ia<0, ib<0, ic<0）。

其中有兩種組合實際是不存在的（ia>0, ib>0, ic>0）和（ia<0, ib<0, ic<0），共模電流除外，也就是說正常情況下一共存在48種有效電流回路，電流的方向也是在這48種回路中來回切換。

為了讓大家有個更直觀的理解，我們以電流的方向（ia>0, ib>0, ic<0）為例，畫出8種開關(guān)狀態(tài)下的電流回路，如圖4所示：

圖4三相逆變器8中電流回路

有些小伙伴看到以上電流回路可能感到很奇怪，有的電流是向母線電容充電的，如（001，011，101，100），有些回路電流沒有經(jīng)過電容如（000，111）。需要強(qiáng)調(diào)的是不要單獨(dú)將一張圖拿出來看，要考慮上一次回路的開關(guān)狀態(tài)。另外，上圖只是從電路角度畫出了可能會出現(xiàn)的電流方向，并沒有考慮實際的控制方式或負(fù)載是什么，有些可能會工作在回饋或整流模式（負(fù)載為電機(jī)或電網(wǎng)）。

以上是從系統(tǒng)角度將逆變器的開關(guān)狀態(tài)分為了8種，我們繼續(xù)往下分解，當(dāng)分解到任意一相橋臂時，只有2種開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)電流的方向可以分為4種工作狀態(tài)：

圖5 單相橋臂工作狀態(tài)

再繼續(xù)分解，每個器件有2種開關(guān)狀態(tài)：要么開，要么關(guān)。根據(jù)電流的方向也可以劃分為4種狀態(tài)。

圖6單個器件工作狀態(tài)

分解后大家應(yīng)該就明白了，無論系統(tǒng)層面如何控制IGBT，反映到橋臂后也就四種工作狀態(tài)，進(jìn)一步對應(yīng)到每個器件也有四種狀態(tài)。逆變器在實際運(yùn)行時，IGBT的所有動作都是這4種狀態(tài)的重復(fù)過程，只不過是每次的電流可能會有所不同。

對于每相橋臂四種狀態(tài)切換的換流過程，有些器件會有電應(yīng)力，有些會沒有，更詳細(xì)地大家可以參考我的另一篇文章：

IGBT應(yīng)用中的自然換流和強(qiáng)迫換流是什么？

以上這些換流暫態(tài)過程完全是可以通過雙脈沖測試模擬的，而且電流的大小可以通過脈沖寬度調(diào)節(jié)。所以說雙脈沖測試完全可以反映真實換流過程中的各種電應(yīng)力。

這時候你可能會問，既然雙脈沖測試可以反映IGBT所有換流狀態(tài)下的電應(yīng)力，那雙脈沖測試安全了，器件就一定能夠可靠的工作嗎？

答案是否定的，雙脈沖只能保證器件的開關(guān)過程是安全的，而系統(tǒng)跑起來后還要評估IGBT的散熱情況，同時系統(tǒng)是否可靠運(yùn)行還依賴于控制算法是否穩(wěn)定，系統(tǒng)是否存在電磁干擾，EMI是否滿足標(biāo)準(zhǔn)等一些列問題，因此整機(jī)的功率循環(huán)測試時還是必須的。

最后，總結(jié)一下：

1、雙脈沖測試能夠反映逆變器真實運(yùn)行過程中的電壓、電流應(yīng)力。

2、在設(shè)計完一個新的逆變器結(jié)構(gòu)后，一定要進(jìn)行雙脈沖測試。

3、雙脈沖測試完后，整機(jī)的功率循環(huán)測試還是有必要做的。

原文標(biāo)題：雙脈沖測試能反映IGBT實際運(yùn)行過程中電應(yīng)力嗎？

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審核編輯：湯梓紅