王 瑞

（宝鸡文理学院物理系,721016）

0 引言

IGBT 是绝缘栅双极型晶体管的英文缩写，是电子电力技术领域应用十分广泛的功率半导体器件，IGBT 由双极性三极管和绝缘栅型场效应管组成，具有开关速度快，导通压降低的优点，驱动效率小，控制方便、导通能耗小、开关频率高，是在600V 及其以上的变流系统中具有重要的应用价值，例如交流电机、变频器、照明电路、开关电源、牵引传动等领域。在实际应用过程中，需要进行较大功率变换的场合，比如基于电压源换流器的直流输电系统中，电流侧电压十分高，而IGBT 器件自身存在一定的容量限制，这时就需要通过直接串联、模块化多电平串联技术、级联技术 、多电平、移相变压器等来解决。以常见串联技术为例，商用功率IGBT 器件的最高电压等级为6.5kv，要分担越高的电压需要IGBT 的数量也越多。IGBT 的大功率变流器的应用过程中，会受到自身电气应力、开关损耗等动态性的影响，导致器件的使用效果与设计预期效果相悖。因为IGBT 器件在不同的应用环境中，受到使用环境、驱动条件、环路寄生参数等的影响不同，测试具有不可重复性。本文主要探讨对不同等级的IGBT 器件进行动态分析，建立大容量高精度的测试系统，获得不同工作环境下的器件开关特性的过程。

1 大功率IGBT 器件测试的意义及现状

IGBT 器件在大功率的应用场合中，受到较大的电压电流过冲影响会造成变流器的稳定性与可靠性降低，还可能导致电磁污染的产生，针对不同的工作环境选择合适的IGBT 器件是缩短产品的研发周期，提高产品可靠性的必然要求。半导体的生产厂家在生产与测试期间性能时，由于环境的差异，得到的相关数据具有不可重复性，因而在整个变流器的应用过程中，如果无法得到可靠的准确的工作状态与性能就无法保证变流器的正常运行。

IGBT 测试技术旨在通过对工作温度、门极驱动、工作电流和电压、电路的寄生参数等的测试得到其对IGBT 器件工作性能的影响程度，并根据这些数据建立合理的行为模型，对电气应力和开关损耗等进行预测。总之，功率器件IGBT 的性能测试研究可以为变流器效率的提高、装置寿命的预测和器件在特定工作环境下的适应性做出有效的指导。

2 功率器件IGBT 测试方法与测试原理

在进行大功率器件IGBT 测试时比较常见的测试方法有基于双脉冲电路的测试方法、开关瞬态测试在线测试方法等。本文主要就基于双脉冲电路的测试方法及其原理、测试情况等进行简要的说明。

基于双脉冲电路的测试方法能够从二极管反向恢复电流的震荡情况来判断IGBT 器件的动态性能，可以通过开关过程中的电流微分和杂散电感引起的电容微分函数来对驱动电路在不同开关状态下的电阻值进行预测，还可以通过IGBT 在开关过程中的状态获得相关的动态参数，了解开关的损耗值。除此之外，基于双脉冲电路的测试方法可以对IGBT 器件的过流保护、短路保护、电压箝位功能等进行测试，如果加入加热器，也可以对温度对IGBT 器件性能的影响进行测试。

基于双脉冲电路的测试方法的原理是：在一个测试电路中连接两个IGBT 器件，并将下方的IGBT 器件作为测试的对象，用不同的探头分别对不同时刻被测试的IGBT 器件的电流、电压进行测试。测试电路如图1。

图1 双脉冲的测试电路

如图1 所示，处于上方的IGBT 器件因为连接了负载电感L，在使用探头对其驱动信号进行测试时，其两端的信号始终为0，也就是说，处于上方的IGBT 器件始终处于关断的状态。

不存在门极悬空的状态下，让下方的被测IGBT 器件处在关断的状态下，闭合电源电路，使高压电源为母线上的电容充电，充电完成之后可以打开电源电路的开关，将控制电容放电回路的开关闭合，让电阻R 与电容形成放电回路。

整个充电放电的过程中，可以用公式来表示。充电时，母线电压加载到电感L 上，可以表示为di/dt=U/L，此时充电电流的上升速度决定于电压U 和电感L，关断时的电流大小取决于充电的时间。因此，在关闭K1 开关进行充电的过程中，电流的上升与时间的关系呈正比例函数，最终的电流上升值和上升的速率可以自行设定，此时可以进行驱动电路的短路保护和过流保护等功能的测试。

当K1 开关打开，处于下方的被测IGBT 器件被关断，探头在检测负载电流的时候是将其置于被测IGBT 器件下方，这个时候的负载电感的电流衰减十分缓慢，因此在示波器基本无法观察到续流电流。

当K1 开关打开而K2 开关关闭的时候，整个电路呈现放电状态，这时被测的IGBT 器件会再一次导通，当IGBT 器件中出现反向电流导通的时候，示波器上能够观察差比较明显的尖峰。与此同时，杂散电感引起的电压和整个电源电路的电压是相反的，所以在波形图上会出现一个比较小的缺口。当K2 开关断开的时候，IGBT 器件再次处于关断的状态，这时由于产生的电流比较大，母线杂散电感会产生一个电压尖峰。

3 功率IGBT 器件测试时的观察内容

在整个测试的过程中，需要进行测量的物理变量包括：二极管反向恢复电流的峰值及变化率di／dt、拖尾时间、被测IGBT两端的电压变化等。同时要注意整个变化过程中示波器的波形振荡曲线。在观察相关图像和物理量变化的时候，如果电阻对与IGBT 器件的开通过程电流变化率影响较大，那么可以决定开通损耗，这时可以对电阻值的大小是否合理进行有效的判断。

对于参与测试的反向二极管而言，功率IGBT 器件与相应的反向二极管被关断时都可能出现一定的风险，风险主要来源于放电电路的反向恢复电流与杂散电感的作用。

IGBT 器件一般情况下是具有过流保护与短路保护功能的，但是反向二极管不存在这样的功能，所以，在关断电路反向恢复过程中，瞬间功率值超出可以承受的范围时，就容易造成反向二极管的损坏。通过观察反向二极管的工作曲线可以对其状态进行判断。

通过的电流变化曲线可以发现，在反向电流不断增大的时候，杂散电感产生的电压与电源电路的母线电压是正好相反的，但在电流降低的时候，二者的方向则是一致的。当方向一致的时候，就会产生一个电压的尖峰时刻，此时二极管的损毁危险增大，也就是说杂散电感越大，二极管发生损毁的危险也越大。可以通过波形变化看出二极管是否处在安全区域。通常情况下，二极管在特定的条件下会有一个固定的安全裕量，由于杂散电感和反向恢复电流的后沿相互作用产生一个超出正常值的尖峰电流，因此可以通过对反向恢复电流的后半段斜率的优化及杂散电感的优化达到提高二极管损毁安全裕量的目的。

图2 二极管的不同状态显示

图2 所示的示波器波形曲线是二极管在安全状态下和危险状态的不同显示。

基于双脉冲的测试电路还可以对驱动电路的有源箝位功能、主电路杂散电感等进行测试。

对驱动电路的有源箝位功能得测试就是通过观察尖峰的产生来对IGBT 器件关断瞬间的安全性进行评估。三种情况下，尖峰电流会升高，分别是功率增加和短路、过载，而有源箝位功能的目的就是抑制尖峰电压的产生。在进行测试的时候可以通过绕指导线与平面母线的相互替换来达到增加杂散电感，测试有源箝位功能（通过缺口电压的理论值与实测值的比较来判断驱动电路的有源箝位功能）。

对主电路杂散电感的测试第二个脉冲开始时的缺口电压来判断杂散电感上的感应电压，通过示波器上读出的电压值与电流的变化量计算杂散电感值（计算公式U/L=di/dt）

总之，通过选择合适的测试方法可以获得电路参数对功率器件的特性影响是预测电气应力和开关损耗，对于提高实际应用的环境适应力具有重要的指导意义。

4 结论

功率器件IGBT 因导通功耗小、开关频率高等的优点被广泛应用于高压功率换流器中， IGBT 器件在生产厂家的测试具有不可重复性，但在特定的工作环境中会受到环境温度、驱动条件、环路寄生参数等的影响。论文通过基于双脉冲电路的IGBT 器件测试方法，获得电路参数对功率器件特性的具体影响情况，并对其进行了详尽的探讨分析；还就电路参数对电气应力、开关损耗情况进行预测，这也说明选择合适的测试方法对于提高功率器件在实际应用的环境适应力与应用效果具有重要意义。

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