工業(yè)變頻器研發(fā)中的特性檢測與試驗方法

一般來(lái)講，IGBT的選型包括電壓、電流和成本方面的考慮。但嚴格來(lái)講，損耗也是選型階段的一個(gè)考慮因素。分析損耗的方法基本有計算方法、軟件仿真方法和實(shí)驗方法三種。由于集電極-發(fā)射極飽和電壓Vce（sat）和二極管正向電壓VF分別是計算IGBT和反并聯(lián)二極管損耗的重要參數。因此在模塊選型和代換中，對這兩項電壓的評價(jià)試驗也是很重要的。測試時(shí)需要注意飽和電壓是只有數伏左右的低值，為了消除測量時(shí)示波器內部增幅器飽和的影響，可以用下圖所示的外加電壓鉗制電路的方法。

圖1 IGBT飽和電壓的測量方法

為了安全測試特性需要注意上電順序，此外為保證在規定的結溫下，測定電壓，必須使用低占空比的脈沖測試法。

交換損耗表示了從交換開(kāi)始到交換動(dòng)作完成回復穩定狀態(tài)為止所發(fā)生的損耗。開(kāi)關(guān)損耗與直流側電壓、集電極電流、門(mén)極電壓及驅動(dòng)電阻都有關(guān)系。因此，試驗測量開(kāi)關(guān)損耗時(shí)必須注意上述試驗條件。開(kāi)關(guān)損耗的波形包括電壓和電流的波形，請使用示波器的圖形面積計算功能進(jìn)行，注意使用有效的濾波措施消除示波器對電流波形采集的失真。下圖給出了IGBT開(kāi)關(guān)損耗的實(shí)測波形。

(a) 開(kāi)通損耗 (b) 關(guān)斷損耗

圖2 IGBT開(kāi)關(guān)損耗的實(shí)測波形（Vce：200V/div，Vge：10V/div，Ic：200A/div）

（試驗條件：直流側電壓600V、集電極電流600A、門(mén)極驅動(dòng)電阻3.3Ω、驅動(dòng)電壓+15V及-10V）

（2）驅動(dòng)電路評價(jià)試驗

在門(mén)極驅動(dòng)電路設計中，驅動(dòng)電壓、電流和功率的測量是重要的項目。下圖給出了大容量變頻器中的門(mén)極驅動(dòng)電壓瞬間波形。由于采用了正負雙電源的供電模式，可以看出：導通時(shí)電壓值為+15V左右，關(guān)斷時(shí)電壓值為-10V左右。

（a） ON （b） OFF

圖3 門(mén)極電壓實(shí)測波形

（3）保護電路評價(jià)試驗

IGBT使用中最重要的一個(gè)方面是器件的電壓和電流不能超過(guò)安全工作區：①在關(guān)斷時(shí)，包括任何被要求的過(guò)載條件下，集電極峰值電流必須處在開(kāi)關(guān)安全工作區的規定之內②在短路時(shí)，保護電路的動(dòng)作時(shí)間不能超過(guò)短路耐量。相關(guān)的評價(jià)試驗包括關(guān)斷安全工作區確認試驗和短路試驗。下圖給出了兩種試驗中的實(shí)測波形圖。

(a) 浪涌電壓測試波形 (b) 短路電流測試波形

圖4 安全工作區確認試驗實(shí)測波形

測量時(shí)需要注意：①使用有充分頻率的頻帶的探測器和示波器②事先調整示波器的靈敏度，調整探測器的頻率修正③測量用探測器與元件的端子直接相連④注意CT的檢測靈敏度和變流比。尤其在測量浪涌電壓時(shí)電流的方向需要格外注意，因為不同的電流方向代表了浪涌電壓來(lái)自于IGBT還是反并聯(lián)二極管。

（4）散熱性能評價(jià)試驗

IGBT使用中最重要的另一個(gè)方面是任何情況下，IGBT的工作結溫必須始終保持在Tjmax以下。要達到這樣的要求，需要進(jìn)行精確的損耗計算，進(jìn)而設計優(yōu)良的散熱系統。散熱性能的評價(jià)主要是溫度試驗。當然溫度試驗并不完全是為IGBT而準備的，變頻器中其他元器件同樣需要進(jìn)行溫度試驗，包括電解電容、變壓器、接觸器及驅動(dòng)電路上的主要器件等等。

溫度試驗首先要確定器件的溫度測量點(diǎn)，然后要模擬各種過(guò)載條件，以保證在最?lèi)毫拥那闆r下器件的結溫不超過(guò)最大值。