双脉冲实验报告

1、双脉冲实验1. 双脉冲实验概述通过双脉冲实验可以观察IGBT在开通、关断过程中是否有不合适的震荡，评估二极管的反向恢复行为和安全裕量以及确定有源钳位电路的工作点，保证其在极限工况下可靠工作，在额定工况下可持续工作。1.1双脉冲实验的基本原理实验电路如下 a 所示。图 1 双脉冲实验电路(a)及各关键点波形(b)a 中 Q1、Q2 为 IGBT 模块，型号是 FS800R07A2E3，开关管 Q2 栅极施加负压保持关断状态， Q1 栅极施加由 DSP提供的双脉冲波形，调节脉冲宽度 T1、 T2 和 T3 可以调节电流 I C1、I L0 的大小。D1 和 D2 为开关管内部并联二极管。 L0 为

2、测试用空心电感，大小为 25uH。C0 为母线端薄膜电容，本次实验为了能确保大电流输出，电容量取2000uF。Us 为直流电源，用于调节母线电压。a 中所标各关键点电压和电流波形如 b 所示。其中， Vg_Q1 为开关管 Q1 的双脉冲驱动信号， I C1为 Q1 集电极电流， VCE1为 Q1 集- 射电压， I D2为并联二极管 D2 的电流， VD2为二极管正向电压， I L0 为电感 L0 电流。在实际电路中由于漏感及寄生电容的存在，开关切换时波形中会有电压及电流尖峰，主要表现为：在 t 2 及 t 4 时刻， Q1 关断，电压 VCE1存在漏感电压尖峰；在 t3 时刻， Q1 逐渐导

3、通， D1 逐渐关断，电流 I D2存在反向恢复电流尖峰，电压VD2存在漏感电压尖峰。以上两点需要通过双脉冲实验进行验证，确保电压、电流应力不超过开关管安全工作区。1.2栅极有源钳位电路a 中 Q1 关断时，集 - 射极会承受直流母线电压Us 与漏感尖峰的叠加，负载电流越大，尖峰越高，为了保护开关管，驱动电路中加入下所示的有源钳位电路。图 2 开关管有源钳位电路中 TVS管的型号为 P6SMB510A，门限电压 Vtvs_th 为 485535V，当 VCE高于 Vtvs_th 时，TVS击穿并流过电流 I tvs_br ，该电流一方面拉低VCE电压，另一方面抬高开关管栅极电压从而减缓 Q1

4、的关断速度，降低VCE电压。有源钳位电路需要保证逆变器在过载甚至短路时能够可靠抑制VCE电压，同时又要保证该电路在逆变器额定工作区中能够持续工作，这主要考虑到 TVS击穿时有与 VCE成正比的电流 I tvs_br 流过，长时间工作会导致TVS过热，所以双脉冲实验另一个目的是验证逆变器可持续工作区的选取是否合适。综上所述，本次双脉冲实验的目的为：1) 验证极限工况下 IGBT集- 射电压 Vce_max是否在额定范围之内；2) IGBT 并联二极管关断时的应力是否在额定范围之内；3) 逆变器可持续工作区的确定。2. 极限工况下 IGBT 集- 射电压 Vce_max2.1测试目的评价有源钳位电

5、路的工作效果，IGBT 在极限电压电流条件下关断时，其集 - 射电压电压尖峰要低于最大可承受电压， 根据 IGBT 规格书，该电压值为 650V。测试电路如所示：图 3 极限工况测试电路（Q1 为被测对象， A 表示电流探头位置）2.2测试条件输入电压 Vin = 425V集电极电流 I c = 1100A（两倍额定电流）2.3测试结果Vce_max = 579V测试波形如下所示。图 4 极限工况下IGBT 集 -射电压（ C1： V ce， C2：栅极驱动Vge， C4：集电极电流I c）3. IGBT 并联二极管关断3.1测试目的当桥臂中的一个IGBT逐渐开通时，流过该 IGBT 的电流逐

6、渐增大，同时另一个 IGBT的并联二极管电流I D 逐渐减小，由于它的反向恢复特性，该二极管会承受较大的电压及电流应力，该项测试是为了评价该过程中二极管是否工作在安全区域内。测试电路如所示。图 5 IGBT 并联二极管关断测试（Q2 为被测对象， A表示电流探头位置）3.2测试条件输入电压 Vin ：450V测试电流 I D：分别取 50A、 150A、 250A、 375A、550A、714A、825A、962A、1100A。3.3测试结果所示为 450V输入下的测试结果。其中，通道C1 为 IGBT 端电压（黄），C2为 IGBT栅极驱动（绿），C3 为二极管电压 VD（红）， C4为二极

7、管电流I D（蓝）。表 1 二级管关断时两端电压V D_off 以及最大反向恢复电流 IrrI D= 50AID=150AVD_off = 130V ，I rr = 51.6AVD_off = 160V ， I rr = 80A（续）二级管关断时两端电压V D_off 以及最大反向恢复电流IrrI D= 250AID=375AVD_off = 160V，I rr= 87.4AVD_off= 160V， I rr= 91.6AI D= 550A，I= 91.6AID=714A， I= 91.6AV= 150VrrV= 130VrrD_offD_offI D= 825AID=962AVD_off=

8、 150V，I rr= 83.2AVD_off= 130V， I rr= 58.2A（续）二级管关断时两端电压VD_off 以及最大反向恢复电流I rrI D = 1100AVD_off = 110V ， I rr = 66.6A所示为 IGBT安全工作区，对比的测试结果，二极管关断过程中的电压、电流没有超出安全工作区。图 6 IGBT 安全工作区及 450V 输入下的二极管关断应力（位于阴影部分内）4. 逆变器可持续工作区的确定4.1测试目的IGBT 持续工作时需要确保有源钳位电路不工作或温升不超过最高温度，且该电路是否工作取决于输入电压Vin 以及 IGBT 关断时电流 I c ，Vin

9、越高， IGBT 流过持续电流 I c的能力就越低，这是因为较高的I c 会产生较高的关断电压尖峰，该尖峰会触发有源钳位电路工作，如果尖峰较高，钳位电路的工作电流就会很大，由此产生较高的温升。该项测试是为了找出逆变器可持续工作的母线电压及负载电流。4.2测试条件输入电压 Vin ：250V、275V、300V、325V、350V、 375V、 400V、 425V 和 450V；测试电流 I c_off ：在以上各个电压下逐渐增加IGBT关断电流直到关断电压尖峰达到有源钳位电路中TVS门限电压。根据TVS规格书，其门限电压Vtvs_th 为 485535V，此时 TVS工作电流为 1mA。4.

10、3测试结果如下所示。表 2 达到TVS 门限电压时的V in 和 I c_off 以及 I c_off =550A 时 TVS 电压 V tvsIc_off/AIc_off/AV /VtvsVin /V=485V V=535V I c_off =550A Vtvs_thtvs_th25065888245827558879047930047568250032538365052035030450053737522541655840018233457042512326058345072200587结合与可得下所示表逆变器可持续工作区。17001600150014001300120011001000A

11、900/I80070060050040030020010000Vin 与 I c_off 关系曲线以及IGBT 安全区，曲线 1 及曲线 2 下方代曲 线曲 线100200300400500600Vce/V二极管应力分布Ic, Module SOAIc, Chip SOAIc_off/A 485VtvsIc_off/A 585Vtvs图 7 V in 与 I c_off 关系曲线（曲线1 及曲线 2）以及 IGBT 安全区4.4 TVS 持续工作时损耗及温升的评估在实际电路中，很难通过实测得到TVS 工作时的电流，所以此处只能根据规格书对损耗及温升进行估算。 根据 TVS规格书，TVS工作时，

12、电流最大不超过 0.86A，当 TVS 两端钳位电压为 535V时，其损耗及温升计算过程为：相电流频率 f eN p60Nrpm其中， Np 为电机极对数，取4；Nrpm 为转速，取 9000rpm。TVS工作时相电流持续时间为：上式中 I p_br 为TVS开始工作时所对应的相电流根据所示， 最恶劣的工况为in，V =450VIc_off，所以I p_br 可取；pk_p 为相电流峰值，由工况决定，这里取。=200A200A I550ATVS损耗： Ptvs _ losst * f s * I tvs _ br* Vtvs _br * Ttvs _br * f e式中 Vtvs_br 为门限电压，取；Ttvs_br 为工作时间，通过测量得。TVS535VTVS100nsTVS温升：TPtvs