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基于虚拟仪器的i g b t 自动测试系统研究 摘要 新型功率开关器件i g b t 具有耐压高、电流大、开关频率高、通态压降小等 优越性能，越来越多地被应用到各类大中功率电力变换装置中，成为现代电力 电子技术的主导器件。i g b t 的特性参数是衡量i g b t 性能的主要指标。i g b t 的 特性参数具有测试项目多、量程变化大、参数之间相互关联、部分瞬态参数快 速突变等特点，使得对i g b t 参数的测试尤其是时间参数的测试变得十分困难。 目前国内外对i g b t 参数的测试大部分靠人工，分步、分时进行，存在速度慢、 精度低等缺点。因此研制i g b t 的参数自动测试系统，具有重要的意义。 本文的主要研究工作和成果如下： 1 在深入研究i g b t 工作原理的基础上，重点研究了主要参数的测试方法； 提出了基于虚拟仪器技术的i g b t 参数自动测试系统的设计方案；讨论了测试 系统的硬件结构和选用的各种仪器的具体性能及其在系统中的作用。 2 构建了以计算机和l a b v i e w 软件为核心的i g b t 自动测试系统，研制了 主要参数测试电路。实验验证了该系统的有效性。 3 设计了i g b t 虚拟仪器测试系统软件，实现了对i g b t 主要参数的准确测 量；研究了各种p w m 算法，研制了虚拟单相s p w m 信号发生器，该信号发生 器频率在10 0 h z 一1 0 k h z 范围内连续可调，为i g b t 栅极驱动电路提供可控信 号源；探讨了高速i g b t 接通、关断时间参数测试方案。 关键词：i g b t 虚拟仪器自动测试系统l a b v i e ws p w m r e s e a r c ho na u t o m a t i ct e s ts y s t e mo fi g b tb a s e d o nv i r t u a li n s t r u m e n t a b s t r a c t i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ( i g b t ) i san o v e lp o w e rs w i t c h i n gd e v i c e w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fb e a r i n gh i g h - v o l t a g e ，h i g h c u r r e n t ，h i g h s w i t c h i n g f r e q u e n c y 、l o w t u r n - o n - r e s i s t a n c ea n ds oo n f o rt h e s er e a s o n s ，i g b ti su s e di na l l k i n d so fm i d d l ea n dl a r g ep o w e rt r a n s f e re q u i p m e n t sa sap r e d o m i n a n td e v i c e t h e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fi g b t p l a y ak e yr o l ei nd e t e r m i n a t i o no fi t s p e r f o r m a n c e 。m a n yp a r a m e t e r sn e e dt ob et e s t e d ，s o m ep a r a m e t e r sa r ei n t e r r e l a t e d ， a n dt h et i m ep a r a m e t e r so f t e nc h a n g es h a r p l y , a l lt h e s ef e a t u r e sm a k ei t v e r y d i f f i c u l tt ot e s tt h ep a r a m e t e r so fi g b t t h ep r e s e n tm a n u a lm e a s u r i n gw a y sa t h o m ea n da b r o a dh a v et h ed i s a d v a n t a g e so fl o ws p e e da n dl o w l e v e le f f i c i e n c y s o t h ea u t o m a t i ct e s ts y s t e mo fi g b ti sn e e d e du r g e n t l y t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： f i r s t l y ，t h et e s tm e t h o do ft h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sw a ss t u d i e da f t e r i n v e s t i g a t i n gt h ec o m p o n e n tp r i n c i p l eo fi g b t t h es c h e m eo ft h ei g b ta u t o m a t i c t e s ts y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h e nw e d i s c u s s e dt h es t r u c t u r eo ft h e s y s t e ma n da n a l y z e dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e i n s t r u m e n t su s e di nt h et e s ts y s t e m s e c o n d l y ，t h ei g b ta u t o m a t i ct e s ts y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nc o m p u t e r a n dl a b v i e w 。t h ep r i m a r yt e s tc i r c u i t sw e r ed e s i g n e di nt h es y s t e m t h e e x p e r i m e n t sp r o v e dt h ev a l i d i t yo ft h ei g b ta u t o m a t i ct e s ts y s t e m f i n a l l y ，t h es o f t w a r et e s ts y s t e mw h i c hc o u l dr e a l i z et h ef u n c t i o no ft e s t i n ga l l t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sw a sd e s i g n e d w ed e s i g n e dao n e - c h a n n e ls p w m s i g n a lg e n e r a t o rw h o s ef r e q u e n c yc a na d j u s tf r o m10 0 h zt o 10 k h z a tl a s t ，w e d i s c u s s e dt h es c h e m eo ft h et e s tm e t h o do ft h et i m ep a r a m e t e r sb a s e do nt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e no s c i l l o g r a p ha n dl a b v i e w k e yw o r d s ： i g b t ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；a t s ；l a b v i e w ；s p w m 插图清单 图1 1 虚拟仪器的构成3 图2 - 1i g b t 的结构、简化等效电路和电气图形符号6 图2 2i g b t 的转移特性和输出特性7 图2 3i g b t 开通关断过程7 图2 - 4i g b t 和续流二极管的功率模块单元图8 图2 - 5 栅极一发射极阈值电压测试电路原理图9 图2 - 6 栅极一发射极漏电流测试电路原理图1 0 图2 7 集电极一发射极截止电流测试电路原理图1 0 图2 8 集电极一发射极饱和电压定义1 1 图2 - 9 集电极一发射极饱和电压脉冲法测试电路原理图1 1 图2 1 0 集电极一发射极饱和电压直流法测试电路原理图1 2 图2 - 1 1 开关时间阻性负载测试电路原理图1 2 图2 一1 2 开关时间定义1 3 图2 1 3 开关时间感性负载测试电路原理图1 3 图2 1 4 二极管反向恢复时间定义1 4 图2 1 5 二极管恢复时间测试原理图1 5 图2 1 6i g b t 模块测试原理1 5 图3 - l 采用e x b 8 4 1 的i g b t 驱动器2 0 图3 2 两种变压器驱动器电路2 0 图3 3 变压器耦合驱动器j 2 l 图3 4 平均对称规则采样法原理图。2 2 图3 5 栅极过压保护电路2 3 图3 - 6 充放电型i g b t 关断缓冲吸收电路2 4 图3 - 7 三种放电阻止型缓冲电路2 4 图3 8i g b t 的过流保护电路。2 6 图4 - 1i g b t 测试系统结构原理图2 7 图4 。2 测试系统硬件原理图3 0 图4 3 集电极一发射极截止电流测试电路3 0 图4 4 栅极一发射极阈值电压测试电路3 1 图4 5 集电极一发射极饱和电压测试电路3 1 图4 6 电压钳制电路3 2 图4 7i g b t 开关时间测试原理框图3 2 图4 8 续流二极管反向恢复时间测试原理框图3 3 图4 9 栅极驱动电路和过流保护电路3 3 图4 1 0 栅极过压保护电路3 4 图4 1 1 缓冲保护电路3 4 图5 1 系统软件模块结构3 8 图5 2 示波器驱动程序函数3 9 图5 3 示波器自检程序3 9 图5 4 数据采集卡的自检4 0 图5 5 用户登陆界面4 0 图5 6 用户登陆程序框图4 1 图5 7 信息确认子程序框图4 1 图5 8 数据结果保存在l a b v i e w 的表格中4 2 图5 9l a a v i e w 中表格显示的结果4 2 图5 1 0w r r r et a b l et ox l v i 将数据保存到e x c e l 中4 2 图5 1 le x c e l 中显示的数据结果4 3 图5 1 2i g b t 自动测试系统运行界面。4 3 图5 1 3 测试系统软件程序框图4 4 图5 1 4i g b t 栅极一发射极漏电流测试模块程序框图4 5 图5 15 数据采集卡各采集通道参数设定4 5 图5 1 6i g b t 栅极一发射极阈值电压测试模块程序框图4 6 图5 1 7i g b t 栅极一发射极阈值电压测试模块界面4 6 图5 1 8i g b t 集电极一发射极饱和电压测试模块界面4 7 图5 1 9l a b v i e w 与数字示波器通信界面4 8 图5 2 0l a b v i e w 与数字示波器通信程序框图4 9 图5 2 1 上升时间与下降时间测量程序4 9 图5 2 2 单通道s p w m 信号发生器5 0 图5 2 3 单通道s p w m 信号发生器程序框图5 0 图5 2 4 示波器采集的s p w m 波形5 l 图5 2 5 产生连续脉冲程序框图5 1 图5 2 6 计数器产生连续脉冲参数设置5 2 图5 2 7i g b t 并联续流二极管反向恢复时间测试模块部分界面5 2 表格清单 表3 1 现有i g b t 驱动器参数比较2 l 表4 1i g b t 的电压规格与输入电压关系2 8 表5 1 测试结果与标准值比较5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金自巴王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 日 学位论文作者签名铡触 签字日期：删年6 舶 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者堑名：刘藏忠 签季日期：砒6 月f 6 e l 学位论文作者毕业后去向：螺削i 帚 工作单位：研评借黼技日蚴荡限婀 导师签名： 电话： 邮编： 日 致谢 匆匆三载，研究生生活即将结束，这三年是影响我人生的重要时期。这三 年里的经历与努力无疑将是我人生中的一笔宝贵财富。三年来，我在学习、生 活等各方面都受益匪浅，除了自己的努力，更多的是来自老师、家人以及同学 的支持与帮助。 感谢我的导师鲁昌华教授。感谢鲁老师这三年来对我的淳淳教诲和悉心关 怀。鲁老师对我的指导和影响之大，怎样言语都表达不尽。鲁老师渊博的知识、 丰富的实践经验、严谨勤奋的治学风格、忘我的工作热情和积极的人生观都深 刻影响着我，让我永志不忘，激励着我克服困难、执著迸取。 感谢我的父母，无论是在我的学习还是生活上，他们都用着这世界上最伟 大和最无私的爱，用他们辛勤的汗水，用他们的任劳任怨，来支持我、鼓励我。 他们勤劳、朴实、善良的品质已经溶入了我们的血液，他们的言传身教将使我 终身受益。同时感谢我的姐姐在我的学生生涯中对我的无私的支持和帮助。 感谢智能测试研究室的汪涌、石洪源、殷俊、刘大伟、梁银海、王玲飞等 同学。几年来，我们共同学习，互相帮助，给我了集体的温暖。同时感谢电气 学院的宫维同学，在对本课题的研究和撰写中，提供了宝贵的意见和极大的帮 助。 感谢支持过我、帮助过我、关心过我的所有人。 作者：姚成忠 2 0 0 8 年5 月 1 1 自动测试系统概述 第一章绪论 自动测试系统( a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ，a t s ) ，通常是指在人工最少参与 的情况下，能自动进行测量、数据处理，并以适当方式显示或输出测量结果的 系统。多年来，传统的测量技术都是用分立的电子仪器对被测对象进行测量， 再由人工处理测量结果。随着现代科学技术的飞速发展，这种传统的靠人工测 量、记录、处理的方法己远远不能满足现代测试技术的要求【l 】【2 1 。 自六十年代以来，由于计算机特别是微型计算机日新月异的发展，给各个 领域带来了前所未有的革命，同样也引起了测量仪器的变革。不少分立电子仪 器逐渐装配上微处理器或微计算机，成为既能测量，又有实时处理能力的智能 仪器。与此同时，由通用微型计算机，通过接口连接分立的电子测量仪器，就 可以构成各式各样的自动测试系统。 计算机和接口是自动测试系统中两个关键性部件。两者的重大变革及在自 动测试系统中的作用地位导致了新一代测试系统的诞生。自六十年代以来，自 动测试系统大致经历了三个发展阶段。 1 1 1第一代自动测试系统 在六十年代，传统的测试仪器通过各公司研制的非标准专用接口，与小型 专用计算机或台式计算机联用，即为第一代自动测试系统。第一代自动测试系 统大多为专用系统，其代表性产品有自动网络分析仪、自动频率分析仪和集成 电路测试等。在这类仪器中，计算机是在仪器的外部作为控制器来使用的。 由于第一代自动测试系统多为专用系统，通常是针对某项具体任务而设计 的，其接口也是专用的，因此第一代测试系统通用性比较差。 1 1 2 第二代自动测试系统 从七十年代开始，一些测试仪器的内部引入了微处理器，从而使单个仪器 智能化，称为智能测试仪器。与此同时，还出现了i e e e 一4 8 8 ( 即g p i b ) 与 c a m a c 标准接口，使接口标准化，从而改变了过去的混乱状态。通过标准接 口，可以很容易地将单个智能仪器连接起来。由外部计算机作为控制器而组成 自动测试系统，这就是第二代自动测试系统。 第二代自动测试系统与第一代的主要不同点在于采用了标准化的通用可程 控测量仪器总线( i e e e - - 4 8 8 ) 及可程控的仪器和测控计算机( 控制器) ，从而使 得自动测试系统的设计、使用和组装都比较容易。 1 1 3 第三代自动测试系统 第一、二代自动测试系统的主要工作在很大程度上还是对人工测试的模拟， 八十年代出现的第三代自动测试系统把计算机和测试更紧密地结合起来，融合 为一体，并可利用计算机直接产生激励信号，完成测试功能。原来由包括多台 仪器的系统所完成的功能，现在可能由一个以计算机为中心的设备来完成。在 第三代自动测试系统中，软件成为系统的核心，它在系统的开发环境、仪器驱 动、程序自动生成、人机交互、测试结果的分析处理与输出显示等许多方面都 起着突出的作用。尤其在v x i 系统中，模块化结构与微计算机及形形色色的软 件相结合，成为一种很有前途的仪器构成方案，在一定程度上改变着以往的测 试仪器概念，并代之以虚拟仪器的新概念。 第三代自动测试系统的出现给电子测量带来了真正革命性的冲击，在测量 原理、仪器设计等很多方面都产生了重大影响。充分发挥计算机的作用，用计 算机的软、硬件资源代替测量仪器中的大量硬件，无疑是电子测量发展的一个 重要方向【3 】【4 1 。 由以上可知，自动测试总的发展趋势是，软件在测试技术中的比重越来越 大，重点在于发展标准共享软件结构单元，并要求有很强的兼容性和很高的重 用性。而虚拟仪器代表了自动测试的先进水平，在相当长的时间内，其发展前 景十分广阔【5 1 。 1 2 虚拟仪器技术和l a b v i e w 1 2 1虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，就是在以通用计算机为核心的硬件平 台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实现的一种计算 机仪器系统。用户在操作这台计算机时，就像是在操作一台自己设计的测试仪 器，实现了计算机与测试仪器的一体化。其基本思想就是在测试系统和仪器设 计中尽可能使用软件代替硬件，即“软件就是仪器”【6 1 。 虚拟仪器以透明的方式把计算机资源( 如微处理器、内存、显示器等) 和仪 器硬件( 如a d 、d a 、数字i o 、定时器、信号调理等) 的测量、控制能力结合 在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口。虚拟仪 器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转 变。 1 2 2 虚拟仪器的构成 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。 2 仪器硬件平台由计算机硬件平台和i o 接口设备构成。1 1 0 接口设备可以 是各种以计算机为基础的内置功能卡、g p i b 接口卡、串行口、v x i 或p x i 总 线仪器接口等设备，或是其它各种可程控的外置测试设备。计算机硬件平台可 以是各种类型的计算机，如p c 计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算 机、工控机等。目前，虚拟仪器已经发展成具有g p i b 、p c i 、v x i 、p x i 等多 种标准体系结构的开放技术。虽然较为常用的虚拟仪器系统是基于p c i 总线的 数据采集系统、g p i b 仪器系统、v x i 仪器系统、p x i 仪器系统以及它们之间的 各种组合，但是串行口设备，现场总线设备等也可以列入虚拟仪器系统，因为 从测试系统构成要素的角度来看，所有的过程控制系统及工业自动化系统均可 以归纳到虚拟仪器系统框架中来。虚拟仪器系统的基本结构框图如图1 1 所示。 瞻茹j 急琢番l 矗静 强蠹翻 髟? 。，。：，一：词 懒毒峰：暑雄一警据采羹褥一 缎# 簪1 戳 隰e 0 7 | 。o ， 除赫甥谤，： 7 铡7 控 算，j 7 对 ，织i ： 象 孽；嗍赫溺 馘霪 t 眵 ：v x i 仪器，翻 瞪。玉h 摘妊。绸 隧雾，h ? 誓；翻 图1 1 虚拟仪器的构成 应用软件是虚拟仪器的关键部分，由三部分组成：1 1 0 接口软件、仪器驱 动程序和应用软件开发环境【7 j 。 ( 1 ) i o 接口软件是完成对仪器内部的寄存器单元进行直接存取数据的操 作，为仪器与驱动程序提供信息传递的底层软件。 ( 2 ) 仪器驱动程序为用户提供了用于仪器操作的较抽象的操作函数集，对 应用程序来说，它对仪器的操作是通过驱动程序来实现的。 ( 3 ) 应用软件是用户采用各种编程软件自己编制的。目前，虚拟仪器系统 应用软件的开发环境主要有两种：一种是基于传统的文本语言式的平台，主要 是n i 公司的l a b w i n d o w s c v i ，v c ，v b 等；一种是基于图形化工程环境的平 台，如n i 公司的l a b v i e w 和h p 公司的v e e 等。 1 2 3l a b v i e w 软件简介 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( 1 a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) i 拘简称，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形 化软件开发集成环境，得到工业界和学术界的普遍认可和好评。它可以把复杂、 繁琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能( 图形) ，用线 条将各种功能( 图形) 连接起来的简单图形编程方式，为没有编程经验的用户进 行编程、查错、调试提供了简单方便、完整的环境和工具，尤其适合于从事科 研、开发的科学家和工程技术人员使用。 自n i 公司于1 9 8 6 年1 0 月正式推出l a b v i e w l o 版以来，l a b v i e w 已经 发展到至今的8 5 版本。如今广泛使用的版本是8 0 和8 2 两个版本。本文就是 在l a b v i e w8 2 环境下进行软件编程的。 使用l a b v i e w 开发平台编制的程序称为虚拟仪器程序，简称为v i 。v i 包 括三个部分：程序前面板、框图程序和图标连接器。 程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。 在程序前面板上，输入量被称为控制( c o n t r o l s ) ，输出量被称为显示 ( i n d i c a t o r s ) 。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开关、 按钮、图表、图形等，这使这得前面板直观易懂。 每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用l a b v i e w 图形编 程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、图 框和连线构成。 其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函 数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过 程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。图标连接器是子v i 被其它v i 调用的接口。图标是子v i 在其他程序框图中被调用的节点表现形式；而连接 器则表示节点数据的输入输出口，就像函数的参数。用户必须指定连接器端口 与前面板的控制和显示一一对应。 1 3课题概况 1 3 1课题研究的现状与意义 把m o s 管技术引入功率半导体器件的思想开创了革命性的器件：绝缘栅 双极晶体管( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ，i g b t ) 。i g b t 是将功率m o s f e t 和g t r 集成在一个芯片上的复合器件，它集m o s f e t 场效应晶体管的高速性 能和双极型功率晶体管g t r 的低电阻性能于一体，具有电压型控制、输入阻抗 大、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、安全工作区大等优点。于是，i g b t 成功地持有绝缘栅的良好控制能力及通态电导调制的综合优点p j 。 基于这些优势，目前i g b t 已经基本上完全取代了大功率晶体管，成为电 力电子电路主要采用的功率器件，应用前景非常广泛。i g b t 已成为交流电机 控制、逆变器、继电器、u p s 电源、开关电源、变频器、有源滤波器、e p s 电 4 源、风力发电设备、工业传动装置、电梯或辅助传动设备、机车与列车用电源、 以及供暖系统传动装置等大功率工业自动化应用的理想功率开关器件【l 叭。 i g b t 的应用日益广泛，i g b t 的市场需求量也越来越高。国外的i g b t 技 术已经发展到第五代，世界上的比较大的i g b t 生产商如日本富士电机、三菱 电机、东芝电机、德国西门子电器、a b b 公司等，他们生产的i g b t 和i g b t 模块的性能也在不断改进。 在国内，我国的硬件设施已经具备了研发和生产i g b t 的能力，但是缺少 i g b t 的核心技术。国内只有少数小功率i g b t 的封装线，还不具备研发、制造 管芯的能力和大功率i g b t 的封装能力。鉴于i g b t 及其模块的广泛应用前景， i g b t 的国产化，对推动我国的电力电子工业的发展有着十分重大的意义，如 规模生产也会产生巨大的经济效益和社会效益。 为实现i g b t 的国产化，首先必须具备完善的i g b t 参数测试方法和测试 系统，因为i g b t 的参数对i g b t 的性能影响重大。在国外，各大i g b t 生产商 都有自己的i g b t 参数测试方法，但通用性测试系统未见有任何报道。在国内， 目前只有在西安电力电子研究所的网站上可以看到他们于0 7 年底研制出的一 套i g b t 测试设备，包括i g b t 栅极特性测试仪，i g b t 截止电压、截止电流测 试仪。i g b t 饱和电压测试仪，i g b t 开关特性测试台。 1 3 2 课题研究的目的与任务 本课题的主要目的是通过对i g b t 参数的测试方法和测试系统的研究，构建 i g b t 参数自动测试系统，实现对i g b t 各项参数的准确测量。本课题的主要任 务是构建基于虚拟仪器的i g b t 自动测试系统，实现对i g b t 参数进行自动测量； 研究i g b t 的测试参数和测试方法；设计i g b t 的驱动电路和保护电路；采用p c i 总线和g p i b 总线的混合总线结构构建测试系统；采用图形化编程语言l a b v i e w 作为系统的软件开发工具，通过软件编程，实现i g b t 各参数测试电路的自动切 换，测试参数的自动采集、处理与显示：并采用示波器与l a b v i e w 软件通信的 方法采集开关时间参数。 5 第二章i g b t 参数的基本测试方法研究 本课题的研究对象是i g b t 参数自动测试系统，因此要想对i g b t 的参数 进行准确的测试，首先必需了解i g b t 的结构、工作原理和基本特性，并要深 入研究i g b t 的参数以及这些参数的测试方法，这是构建i g b t 测试系统的前 提与基础。 2 1 绝缘栅双极晶体管i g b t 简介【1 0 】【1 1 】【1 2 】 2 1 1i g b t 的基本结构和工作原理 i g b t 在结构上类似于m o s f e t ，它的基本工作与n p n 晶体管无关，可以 认为是将n 沟道m o s f e t 作为输入极、p n p 晶体管作为输出极的单向达林顿 管。图2 1 所示是基本型i g b t 的结构原理、简化等效电路和电气图形符号。 发射极栅极 g e b )c ) 图2 1i g b t 的结构、简化等效电路和电气图形符号 i g b t 的开关作用是通过施加正向栅极电压形成沟道，给p n p 晶体管提供 基极电流，使i g b t 导通；反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电 流，使i g b t 关断。i g b t 的驱动方法和m o s f e t 基本相同，只需控制输入极 n 沟道m o s f e t ，所以具有高输入阻抗特性当m o s f e t 的沟道形成后，从p + 基极注入到n 层的空穴( 少子) ，对n 层进行电导调制，减小n 层的电阻，使 i g b t 在高电压时，也具有低的通态电压。 2 1 2i g b t 的基本特性 i g b t 的工作特性包括静态特性和动态特性两类。i g b t 的静态特性主要有 输出特性、转移特性；动态特性是指i g b t 在开关期间的特性，包括开通过程 和关断过程。 1 静态特性 i g b t 的转移特性是指输出集电极电流i c 与栅极和发射极之间电压u o e 的 关系曲线。它与功率m o s f e t 的转移特性相同，当栅极和发射极之间的电压小 于开启电压u o e ( t h l 时，i g b t 处于关断状态。在i g b t 开通后的大部分集电极电 6 eci、i r g c 尼 流范围内，i c 与u g e 成线性关系。栅极和发射极之间的最高电压受最大集电极 电流限制，其最佳值一般取为15 v 左右。转移特性曲线如图2 2a ) 所示。i g b t 能实现电导调制而导通的最低栅极和发射极之间电压u g e ( t h ) 随温度升高而略有 下降，在+ 2 5 0 c 时u g e ( t h ) 的值一般为2 6 v 。 i g b t 的输出特性是指以栅极和发射极之间电压u g e 为参变量时，集电极 电流与栅极电压之间的关系曲线。集电极输出电流i c 受栅源电压u g e 的控制， u g e 越高，i c 越大。这与g t r 的输出特性相似。输出特性曲线如图2 2b ) 所示， 其分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区，分别与g t r 的截止区、放大 区和饱和区相对应。当u c e o 时，i g b t 为反向阻断工作状态。 j c 稳瓣毯 厂 鼬 ，r 阳 匿一 ，r l 蝴r i 删 k 度向黻断隧场舜酾蟛饬 l o 协 图2 2i g b t 的转移特性和输出特性 l 忡i 州! f、 | 谚 | 一衄殉f 争 k 一 、 一t m ；弋冬 一 i 、 t 伽) 一 铀 一t l u c mi t 一| 一t t v 2 一 i u g e ( t h l 时，i g b t 即可开通；当u g e 太大时，可能引起栅极电压振荡， 损坏栅极。正向u g e 越大，i g b t 器件的u g e s 越小，越有利于降低器件的通态 损耗，但也会使i g b t 承受短路电流的时间变短，并使续流二极管反向恢复过 电压增大。因此正偏压要适当，一般不允许u g e 超过+ 2 0 v 。关断i g b t 时，必 须为i g b t 器件提供5 15 v 的反向u g e ，以便尽快抽取i g b t 器件内部的存 储电荷，缩短关断时间，提高i g b t 的耐压和抗干扰能力。采用反偏压可减少 关断损耗，提高i g b t 工作的可靠性。 其次，要求驱动电路具有隔离的输入、输出信号功能，同时要求在驱动电 路内部信号传输无延时或延时很短。 再者，要求在栅极回路中必须串联合适的栅极电阻r g ，用以控制u g e 的前 后沿陡度，进而控制i g b t 器件的开关损耗。r o 增大，u g e 前后沿变缓，i g b t 开关过程延长，开关损耗增加；r g 减小，u g e 前后沿变陡，i g b t 开关损耗降 低，同时集电极电流变化率增大。较小的栅极电阻使得i g b t 开通的d i d t 变大， 会导致较高的d u d t ，增加了续流二极管恢复时的浪涌电压。因此，在设计栅极 电阻时要兼顾到这两个方面的问题。r g 的选择应根据i g b t 的电流容量、额定 电压及开关频率来进行，一般取几欧姆到几十欧姆。 最后，驱动电路应具有过压保护和d u d t 保护能力。当发生短路或过流故 障时，理想的驱动电路还应具备完善的短路保护功能。 2 栅极驱动功率 i g b t 要消耗来自栅极电源的功率，其功率受栅极驱动负、正偏置电压的 差值u g e 要以及栅极总电荷q g 、工作频率f s 的影响。 驱动电路电源应稳定，能提供足够高的正负栅压，应有足够的功率，以满 足栅极对驱动功率的要求。在大电流应用场合，每个栅极驱动电路最好都采用 独立的分立的绝缘电源。驱动电路的电源和控制电路的电源应独立设置，以减 小相互间的干扰，推荐使用带多路输出的开关电源作为驱动电路电源。 通常选取u g e d u ( 3 e ( t h ) ，系数d 取1 5 、2 、2 5 或3 。当u g e ( t h ) 为6 v ， 系数d 分别为1 5 、2 、2 5 、3 时，u g e 则分别为9 v 、1 2 v 、15 v 、1 8 v 。一般 栅极驱动电压u g e 折衷取15 v 为宜，1 2 v 最佳。i g b t 关断时，栅极加负偏压， 以提高抗干扰能力和承受d u d t 的能力。栅极负偏压一般为一1 0 v 。 3 栅极电阻 选择适当的栅极串联电阻对i g b t 栅极驱动相当重要。i g b t 的开通和关断 是通过栅极电路的充放电来实现的，因此栅极电阻值将对i g b t 的动态特性产 生极大的影响。数值较小的电阻使栅极电容的充放电速度较快，从而减小开关 时间和开关损耗。 当r g 增大时，可抑制栅极脉冲前后沿的陡度和防止振荡，减小开关开通 1 8 时的d i d t ，减小i g b t 集电极的尖峰电压；但r o 增大会使i g b t 的开关时间延 长，开关损耗加大。 当r o 减小时，可以减小i g b t 的开关时间，降低开关损耗：但如果r g 太 小，会导致i g b t 栅极、发射极之间振荡，i g b t 集电极d i d t 增加，引起i g b t 集电极产生尖峰电压，使i g b t 损坏。所以应根据i g b t 的电流容量和电压额 定值以及开关频率来选择r o 的值，并在i g b t 的栅极与发射极之间并联一阻值 为1 0 kq 左右的电阻r g e 。 4 i g b t 的驱动条件 设计i g b t 栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和d u o e d t 引起的误触发等问题。正偏压u g e 增加会使通态电压下降；负偏压u o e 增加时 集电极的浪涌电压会明显下降。在i g b t 驱动电路设计时应注意以下几点： 1 ) i g b t 与m o s f e t 都是电压驱动，都具有一个2 5 5 v 的阈值电压，有一个 容性输入阻抗，因此i o b t 对栅极电荷非常敏感，故驱动电路的设计必须很可靠， 要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与i g b t 的连线要尽量短。 2 ) 用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压u g e 有足够 陡的前后沿，使i g b t 的开关损耗尽量小。另外，i g b t 开通后，栅极驱动源应 能提供足够的功率，以使i g b t 不因退出饱和而损坏。 3 ) 驱动电路要能传递几十k h z 的脉冲信号。 4 ) 在大电感负载下，i g b t 的开关时间不能太短，以限制d i d t 形成的尖峰电 压，确保i g b t 的安全。 5 ) 由于i g b t 在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与控制电路在 电位上应严格隔离。 6 ) i g b t 的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带对i g b t 的保护功 能，并要求有较强的抗干扰能力。 3 1 2i g b t 驱动器的电路形式及特点【1 0 l 2 0 1 目前，供i g b t 使用的驱动电路形式多种多样，各自的功能也不尽相同。 从综合的观点看，还没有一种十全十美的驱动电路。 从电路隔离方式看，i g b t 驱动器可分成两大类，一类采用光电耦合器， 另一类采用脉冲变压器，两者均可实现信号的传输及电路的隔离。 下面以日本富士公司的e x b 8 4 1 驱动器为例，简单说明光电耦合驱动器的 工作原理。图中+ 2 0 v 驱动电源通过r 1 和v 5 分为+ 15 v 及+ 5 v 两部分。当来 自控制电路的控制脉冲进入光电耦合器v 1 后，放大器使v 3 导通，i g b t 栅极 即得到一个+ 1 5 v 驱动信号并导通。当控制信号消失后，v 4 导通，此时i g b t 即得到一个。5 v 的栅源电压并截止。i g b t 在导通期间过流时，会脱离饱和状态， 此时，u d s 升高。驱动器内的保护电路通过v 6 检测到这一状态后，一方面在 1 9 图3 - 1 采用e x b 8 4 1 的i g b t 驱动器 1 0 1 x s 内逐步降低栅压，使i g b t 进入软关断状态，另一方面通过光耦v 2 向控 制电路发出过流信号。 光电耦合驱动器的最大特点是双侧都是有源的，由它提供的正向脉冲及负 向封锁脉冲的宽度可以不受限制，而且可以较容易地通过检测i g b t 通态集电 极电压实现各种情况下的过流及短路保护，并对外送出过流信号。目前国内外 都趋向于把这种驱动器做成厚膜电路的形式，因此具有使用较方便，一致性及 稳定性较好的优点。其不足之处是需要较多的工作电源。例如，全桥式开关电 源一般需要四个工作电源，从而增加了电路的复杂性。驱动器中的光电耦合器 尽管速度较高，但对脉冲信号仍会1 “s 左右的滞后时间，不适应某些要求较高 的场合。光电耦合器的输入输出间耐压一般为交流2 5 0 0 v ，这对某些场合是不 够的。例如，许多逆变焊机的输出直接反馈到控制电路，而国家的有关标准却 规定焊机输入输出之间应能承受交流4 0 0 0 v 电压，从而给电路的设计增加了困 难。另外，一旦i g b t 烧坏，驱动器通常也随之烧毁，从而增加了维修的复杂 性及费用。 与之相反，变压器耦合驱动器的特点是不必专设工作电源且速度高，输入 输出间耐压可做得较高，成本较低。图3 2 示出两种变压器驱动器的电路，显 然电路结构比较简单。其中图3 2 b 电路适用于半桥式或全桥式逆变器，其电路 结构决定了同一桥臂的两只i g b t 不会同时得到正向栅压，从而保证了逆变器 不会发生直通现象。变压器耦合驱动器信号延迟很小，从实验结果来看，只有 几个纳秒，响应速度很快。 叫矗 图3 2 两种变压器驱动器电路 图3 2 电路的缺点是i g b t 关断期间