陈宏+李武华

摘 要 为了深入研究新型功率器件IGBT，在技术实践中开展大功率IGBT离线测试研究，模拟实际运行工作状况，分析器件在不同工作状况的性能和可靠性，为大功率变流设备提供器件级的参考和指导，使IGBT研究人员在技术实践中形成IGBT测试的工程能力和研究能力。在研究新型功率器件的同时进行工作测试和性能验证的技术实践实践，对于深入掌握大功率变流设备性能指标具有重要意义。

关键词 绝缘栅双极型晶体管 功率器件 可靠性 功率损耗

中图分类号：TM464 文献标识码：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

隨着中国电网发展，特别是以风电和太阳能发电为代表的可再生能源的快速发展，极大地推动电网新技术的应用规模和发展进程。[1]功率半导体器件是实现电能的传输、转换及其过程控制的核心部件，它使电能的使用更高效、更节能、更环保，将“粗电”变为“精电”，因此它是节能减排的基础技术和核心技术。[2]绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）结合了金属氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET）和双极型功率晶体管（bipolar junction transistor，BJT）的优点。[3]IGBT兼有高输入阻抗和低导通压降的优点，家用电器、相机、手机等等都可以用到IGBT。随着电力电子技术的飞速发展，作为电力电子重要大功率主流器件之一，IGBT广泛应用在于家用电器、交通运输、电力工程、可再生能源和智能电网等领域，在工业应用方面，如交通控制、功率变换、工业电机、不间断电源、风电与太阳能设备，以及用于自动控制的变频器。大功率IGBT 模块作为主功率开关器件，广泛应用在新能源风力发电系统、轨道交通牵引变流设备和高压直流输电等领域。[4]由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到20～30V，因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此在技术实践中，针对 IGBT器件的性能测试和失效研究就显得非常重要。

在IGBT的大功率设备应用中，与变换器效率直接相关的损耗问题一直是各国学者研究的热点，其中如何准确估算变换器的损耗是研究的重要内容之一，在较高的开关频率下准确估算开关损耗一直是功率变换器损耗分析的重点，也是难点。[5]当IGBT重复开通、关断时， 在热冲击的反复作用下产生失效或疲劳效应，其工作寿命与可靠性将影响到整个装置或系统的正常运行，有统计指出， 电子器件产生失效的原因大约有55%是由于过热及与热相关的问题造成的，温度改变会引起材料的属性变化， 而由此带来电容量、阻抗值等的改变将影响电气信号的传输特性的失效是与其动态特性相关的复杂过程，国内外诸多文献已经对的失效机理进行了研究，但很少有文献对失效前后的结温温度分布进行实时探测研究。[6]IGBT 模块作为功率变流器的主要部件，因IGBT 失效而导致功率变流器的故障率较高，[7]作为能源变换与传输的核心器件，IGBT器件的功能失效将会造成系统运行瘫痪，导致严重的安全事故，甚至产生重大经济损失，因此利用大功率IGBT离线测试台作为研究IGBT器件特性的技术实践，使IGBT研究人员采用实践中的相应测试电路，模拟实际运行工作状况，分析器件在不同工作状况的电气应力、开关导通特性以及开关工作轨迹，为深入掌握大功率变流设备性能指标、进一步了解IGBT器件运行参数提供了途径，对于发展国内IGBT研究水平、培养IGBT器件研究领域的科技人才也具有积极的指导意义。

1 实践内容

技术实践内容包括学习大功率IGBT离线测试台的工作原理、实际测量、测量结果记录和分析三个方面。

1.1 大功率IGBT离线测试台的工作原理

随着大功率高压电力电子器件的发展， 出现了以IGBT 、MOSFET等固态器件为开关元件的调制器， 其中IGBT具有MOSFET的快速通断和电力晶体管大电流耐压高的双重优点， 在固态调制器工程应用中占有明显优势。[8]在大功率IGBT离线测试中分高压侧测试和低压侧测试两部分结构如图1所示。endprint

若不考虑线路损耗，则功率变换器的损耗主要由3 部分构成：（1）功率半导体器件开通、关断过程的开关损耗；（2）导通状态下的通态损耗；（3）关断状态下的截止损耗。随着开关频率的提高，开关损耗在变换器总损耗中所占比例逐渐增大，并成为影响变换器效率的主要因素。然而，开关过程持续时间通常极短，且暂态过程的电压、电流波形不仅与电路及器件本身寄生参数有关，还与导通电流有关，增加了开关损耗估算的难度。[5]因此，大功率IGBT离线测试中采用几种独特的技术方法：

（1）采用独立双加热测试的功能，实现了IGBT和续流二极管的结温解耦控制，从而更好地模拟功率器件在实际运行工作状况中的结温分布不均匀现象。

（2）提出了時间补偿算法，可将测试设备中的杂散电阻损耗转化为预充电时间的增量，确保电流测试的准确性。

（3）低压大电流测试对于环路寄生电感参数十分敏感，要求较大的母线电容值。采用一体化母线排，实现低压母线电容组与被测IGBT紧凑连接。而高压测试可以采用相对较小的母线电容值，通过电解电容的串联来获得高电压，设置大面积一体化吸收电容组减少寄生电感对测试结果的影响。这种分级处理的测试电路，具备多档驱动电平，优化了驱动设计。

大功率IGBT离线测试装置如图2所示。

1.2 大功率IGBT离线测试台的实验内容

针对高于1700V 电压等级的大功率IGBT 模块，大功率IGBT 模块开关特性测试系统具有半桥拓扑结构。测试电路的结构采用一体化母排设计，易于器件的拆装和不同驱动电路的搭配。控制上采用双脉冲测试法，针对不同工作电流等级的实际需求，实时调整脉宽，达到所需的工作控制需求。大功率IGBT离线测试装置模拟IGBT的实际运行工况，实现全范围的开关特性测试。

基于LabVIEW的虚拟仪器技术来实现IGBT模块开关特性自动化测试流程，以LabVIEW控制软件为核心，与示波器和DSP控制板进行通信完成测试参数的设置，测试指令的下达和测试结果的保存。整个测试流程全部在LabVIEW上进行操作和控制；以MATLAB数学运算为核心，对测试数据进行开关特性参数的提取和参数变化趋势的描绘。控制系统充分利用计算机的软硬件资源，实现数据采集、传输、显示、存储与分析一体化，测试流程简单灵活方便。

在大功率IGBT离线测试中能够针对不同厂商生产的IGBT器件、不同类型IGBT器件，分析和对比IGBT器件的安全运行轨迹和开关特性，从硬件电路测试和虚拟软件模拟的分析两个方面进行损耗对比、高温特性对比、可靠性对比的研究。如图3所示为英飞凌IGBT反向恢复运行轨迹和三菱IGBT反向恢复运行轨迹的测试结果。

基于LabVIEW 的虚拟仪器技术来实现IGBT 模块开关特性自动化测试流程，以LabVIEW 控制软件为核心，与示波器和DSP 控制板进行通信完成测试参数的设置，测试指令的下达和测试结果的保存。整个测试流程全部在LabVIEW 上进行操作和控制；以MATLAB 数学运算为核心，对测试数据进行开关特性参数的提取和参数变化趋势的描绘。控制系统充分利用计算机的软硬件资源，实现数据采集、传输、显示、存储与分析一体化，测试流程简单灵活方便。

1.3 大功率IGBT离线测试台的实验结果

对不同关断电压和集电极电流下的开关能量与过冲的数据库分析结果如图4所示，从左至右分别为开通能量、关断能量、电压过冲、电流过冲的测量结果[9]。

实现的测量可以达到电压100V至4500V的测量范围，电流50A至3600A的测量范围，环境温度室温至125摄氏度的测量范围。其中门极电压、门极电阻和环路电感都可以自动或者半自动设置，测量系统采用带宽300MHz，采用率2.5G/s，可以满足所有的商用大功率IGBT器件动态测试的需求。

2 实践效果

大功率IGBT离线测试台在技术实践中针对IGBT研究中的实际问题开展实验，使实践为IGBT科学研究服务，有效地提高了IGBT研究人员的科研能力，取得了良好的技术实践效果。

2.1 自制设备符合实践需求

首先作为自制的实验设备，IGBT离线测试台的测试内容和实际需求能够更好地吻合，有针对性地解决IGBT研究中的实际问题。

IGBT的物理模型涉及半导体物理，器件的制造工艺等专业知识，但是在IGBT 的工程使用当中，在缺乏IGBT结构参数和制造工艺指标的条件下，IGBT物理模型缺乏实用性，并不能直接作为IGBT器件的技术参数；其次，IGBT器件生产厂商提供的器件开关动态特性的相关曲线与测试数据具有测试条件的局限性，难以预测IGBT 在实际特定的运行环境下的工作特性，使得用户在实际应用中，生产厂商提供的测试数据，没有真正的参考价值，不能有效指导用户使用IGBT；大功率IGBT 离线测试装置摆脱了上述制约条件的局限，发挥测试装置的优势，改变工作条件分析器件的电气应力，分析开通、关断时的导通损耗以及运行轨迹的数据分布规律，模拟IGBT实际运行的工作条件，建立相应电压、电流下的测试电路，分析不同电压、电流条件对于IGBT工作特性的影响，从而为筛选符合设计需要的IGBT 模块提供参考数据，同时合理配置相应的驱动参数，做出具体工作条件下的损耗的评估，实现了最高4500V的测量电压，最高3600A的测量电流，最高125摄氏度的测量范围，测量达到带宽300MHz，采用率2.5G/s，可以满足所有的商用大功率IGBT器件动态测试的需求。这对在研究设计中需要实行冗余、容错的控制策略，确保整个系统在不损失性能指标、或者不降低部分性能指标的前提条件下安全运行具有重要意义，有效地提高大功率设备的运行效率，实现了对所研究的电力电子装置的寿命预测。开展大功率IGBT离线测试台的技术实践，使实验测试内容和实际需求能够更好地吻合，达到把实践技能的训练与科学研究融为一体的实践效果。endprint

2.2 实践内容为IGBT研究服务

IGBT离线测试台针对IGBT工作特性做研究和测试，做到IGBT研究的工作理论联系实践，起到很好的技术示范作用。

IGBT作为功率器件，工作的可靠性是IGBT的重要技术指标。可靠性是具有在规定的时间内完成规定的功能的能力，研究IGBT可靠性工作的影响因素，在大功率IGBT离线测试台上有针对性地测试IGBT的失效机理，通过加速老化试验的数据分析，实现的测量可以达到電压100V至4500V的测量范围，电流50A至3600A的测量范围，环境温度室温至125摄氏度的测量范围，分析了开通能量、关断能量、电压过冲、电流过冲的测量结果。不仅为IGBT器件特性的分析提供测量平台，为变流器的器件选型提供参考，而且开展技术实践有助于培养IGBT器件研究领域的科技人才，因此大功率IGBT离线测试台的实践成为IGBT理论联系实践的实践典范。

3结语

大功率IGBT离线测试装置为研究IGBT器件特性提供技术实践，开展了IGBT功率器件的过冲电流、电压分析[9]、失效率和失效模式研究、[10]热-电耦合模型建模[11]研究等等研究。

科学研究离不开技术实践，科学研究的成果常常来自于技术实践，科研人员能力的提高也来自于技术实践。冯·格拉塞斯费尔德指出：“我们应该把知识与能力看作是个人建构自己经验的产物”。[12]大功率IGBT离线测试台已经成为IGBT研究人员研究新型大功率器件工作特性必不可少的设备，从测试现象中分析工作电路中的损耗和失效机理，逐步建立理论学习到技术应用的知识转换。自制大功率IGBT离线测试台，模拟高性能和高可靠性大功率变流设备工作的技术实践平台，紧密联系实践，提高了技术实践的研究水平，使技术实践为IGBT的研究服务，激发了IGBT科研人员深入研究的兴趣，理论联系实际，提高了IGBT科研人员的实践操作能力和研究能力，培养IGBT器件研究领域的科技人才，为电力电子技术研究人员在IGBT器件领域方面的深入研究发挥了重要作用。

参考文献

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