一种基于源测量单元的IGBT的电气参数测量方法.pdf

第 2 3 卷第 3 期 2 0 1 6 年 3 月 仪器仪表用 户 NS TR UM E N 1 A T l ON EI C V o1 2 3 2 01 6 N o 3 一 种基于源测量单元的I GB T 的电气参数测量方法 陈向俊 浙江省特种设备检验研究院 杭州 I 3 1 0 0 2 2 摘要 提出了一种利用源测量单元测量I G B T 模块电气参数的方法 该方法是在分析源测量单元的测量原理基础 上 提出了2 线本地和4 线远程接法在I G B T 模块参数测量中的应用 针对不同的研究目的 该方案即适用于密封的 I GB T 模块 又适合于开启的I G B T 模块 基于源测量单元所获取的I G B T 模块电气参数 可以用于准确表征其健康状 态 为构建表征其健康状态的典型数据特征提供基础 关键词 源测量单元 绝缘栅双极型晶体管 健康状态 电气参数 中图分类号 T 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 1 0 4 1 2 0 1 6 0 3 0 0 6 8 0 4 A me a r s u r i n g M e t h o d o f El e c t r ic a l P a r a me t e r s in I GBT Mo d u l e Ba s e d o n S o u r c e M e a s u r e Unit Ch e n Xi a n g j u n Z h e j i a n g P r o v in c ia l S p e c i a l E q u ip me n t I n s p e c t io n a n d R e s e a r c h I n s t it u t e H a n g z h o u 3 1 0 0 2 2 C h i n a Abs t r a c t A me t h o d t h a t me a s u r e s e l e c t r ic a l p a r a me t e r s o f I GB T mo d u l e b y s o u r c e me a s u r e u n i t f S MU1 iS p r o p o s e d in t h is p a p e r T h e t wo wir e l o c a l a n d f o u r wir e r e mo t e s e n s in g me a s u r e me n t o f S MU c a n b e u s e d t o me a s u r e p a r a me t e r s in I GB T mo d u l e b a s e d o n a n a l y in g t h e me a s u r e me n t p r in c ip l e o f S MU I n a d d it io n a c c o r d in g t o d if f e r e n t r e s e a r c h p u r p o s e s t h e me t h o d c a n b e u s e d in c l o s e d I GBT mo d u l e o r o p en I GBT mo d ul e Th e d a t u m o f e l e e t r ie a l pa r a me t e r s o f I GBT mo d ul e f r o m SMU c a n in dic a t e a c c u r l l y il s h e a l t h s t a t e wh ic h ma y p r o v id e r e s e a r c h f o u n d a t io n f o r c o n s t r u c t t y p ic a l d a t a c h a r a c t e r is t ic s t h a t in d ic a t e h e a h h s t a t e o f I GB T mo d u l e K e y wo r d s s o u r c e m e a s u r e u n i t S MU in s u l a t e d g a t e b i p o l a r t r a n s is t 0 r I G B T h e a l t h s t a t e e l e c t r ic a l p a r a m e t e r 源测量单元 S o u r c e Me a s u r e U n i t 简称 S MU 是一种 高精度电源仪器 它提供 1 毫伏以上的电压源与测量精度 和 1 微安以上的电流源与测量精度 还提供了远端检测功 能并拥有集成了双极型电压和吸收功率能力的四象限输出 功能 S MU可以提供线性扫描电压和扫描电流 能够获得 仪器的电压电流特性曲线 将 S MU用于测量 I G B T模块的 电气参数 对于获取准确的I G B T性能参数具有重要的意义 本文主要以 K e i t h l e y S M U为例 对 I G B T模块的电参数进行 测量 为分析 I G B T的健康状态提供必要的数据支持 目前 S MU的应用范围在不断地扩大 文献 1 采用 K e i t h l e y 2 4 2 0 S MU作为测量设备构建太阳电池测试系统 并采用太阳电池的单指数和双指数等效电路模型对测量数 据进行拟合 通过拟合可获取大量电池表征参数 S M U还 可以用于电池充放电测试实验中 典型的电池充放电测试 应包括程控电源 电子负载 电压表 电流表 文献 2 仅 用一台 K e i t h l e y 2 4 0 0系列 S MU便完成测试过程 节省了空 间和编程时间 基于虚拟仪器技术及 R y m a s z e w s k i四探针 组合法 文献 3 设计了薄膜电阻率 自动化测量系统 在虚 拟仪器软件 L a b V I E W和数字量输出模块 N I 9 4 0 1的控制下 利 用基 于 C D 4 0 5 2 芯 片 的接 口电路实 现电流 探针 电压探 针 的 自动切换 并通过 L a b V I E W程 序控制 K e i t h l e y 2 4 0 0 S MU实现两次电压测量 文献 介绍一种电阻的自动测 试系统 该系统以 S MU为检测核心 与微机相配合 依靠 通用接口技术和检测软件 进行电阻的高速连续测试 就 电力电子领域而言 S MU可用于测量功率器件的性能参数 如在电力电子装置中I G B T模块中半导体芯片温度是一个重 要 的参数 这个参数提供了 I G B T模块工作状态的重要信 息 口 风电系统约 1 5 以上的故障是 由于功率逆变器引起 的 6 J 逆变器的故障点通常是 I G B T模块 而影响I G B T模 块可靠性的主要原因之一是发热 众所周知 表征发热量 的物理量是温度 但直接测量半导体器件的结温是不切实 收稿 日期 2 0 1 5 1 2 3 1 作者简介 陈向俊 1 9 7 7 一 男 浙江人 研究生 高级工程师 国家电梯中心型式试验部副主任 主要从事电梯的型式试验 电悌安 全方面相关产品的开发与研究等工作 第3 期 陈向俊 一种基于源测量单元的 I G B T的电气参数测量方法 6 9 际的 一种常用的间接测量温度的方法是利用热敏感电气 参数 t h e r m o s e n s i t i v e e l e ct r ica l p a r a m e t e r s T S E P s 来实现 T S E P s 主要包括通态压降 通态电流 门极电压 门极电 流等信号 基于此 本文主要阐述 S MU用于测量 I G B T模块电气 参数的方法 目的在于获取 I G B T模块的健康与失效参数数 据 为诊断 I G B T模块的健康状态提供基准 1 S MU 测量原理 根据 K e i t h l e y S MU的使用说明可知 其具有电压 电流 电阻和功率4种测量模式 可以实现电气参数的全面测取 本文仅就 I G B T模块测量所用到的相关原理进行简述 当 S MU配置为电流源时 仪器功能为限制电压能力的 高阻抗电流源 且测量电流和电压 对于 2线本地检测 电压用源表 的I O端子测量 如图 1 所示 将选择开关连 接本地一端 则实现了 2线本地检测方式 对于4线远程 检测 电压直接用测量端子测取 可通过将选择开关连接 远程一端来实现 这消除了测试导线及被测物体与源表之 前导线的线阻压降的影响 电流源本身并不需要或者利用 检测线去增强电流源的精度 如果 4线远程检测被选 则 必须正确连接检测线 I 0 H I 0 S HI l 0 s L 0 l 0 Lo 图 1 S MU电流源模式电路原理图 F ig 1 S M U cu r r e n t mo d e c ir cu it s c h e ma t ic d ia g r a m 当 S MU配置为电压源时 系统源表的功能为限制电流 能力的低阻抗电压源 且能测量电压或者电流 检测电阻 被用来连续监测输出电压 且调整电压源所需 在 2线本 地测量情况下 电压表测量 I O端子的电压 如图 2 所示 选择开关连接本地一端 则实现 2线本地测量 在 4线远 程测量情况下 用检测端子测量被测物体 的两端电压 需 将选择开关连接远程一端 此外 比较检测电压和可编程 电压电平 如果检测电压和可编程电压电平不相同 电压 源相应地调整数值 远程检测消除了测试线路对电压的影 响 确保了被测物体两端电压的准确测量 图 1和图 2中的电流和电压误差反馈到电流源或电压 源是一个模拟功能 电源误差放大器被用来补偿在测试线 路中的辐射压降 图 2 S MU电压源模式电路原理图 F ig 2 S M U M o d e c ir cui t s s c h e ma t ics 1 1二端元件的测量方法 测试 a 2 线测量法 测试 f b 4 线测量法 图 3 S MU 测量二端元件的电路原理图 F ig 3 S M U M e a s u r e me n t o f t wo t e r min a l e l e me n t c ir c u i t d ia g r a m 以电阻为例 阐述二端元件的测量方法 电阻测量可 以采用图2 f a 的 2线本地连接或者图2 b 的4线远程连接 的方式