高壓大容量IGBT測試技術(shù)探究

石蕊　袁詠歆

摘 要：近年來，IGBT被廣泛應用于電力電子行業(yè)中，且表現(xiàn)出良好的應用前景。因此，極有必要建立與高壓大容量IGBT相匹配的測試平臺及與之配套的測試方法。IGBT相關(guān)參數(shù)包括動態(tài)參數(shù)、靜態(tài)參數(shù)兩種類型。為此，文章主要從動靜態(tài)參數(shù)兩個方面討論IGBT的測試方法。

關(guān)鍵詞：IGBT；動態(tài)參數(shù)；靜態(tài)參數(shù)；測試方法

引言

近年來，大功率電力電子變流技術(shù)逐漸受到社會各界的關(guān)注，與此同時，IGBT器件等串聯(lián)技術(shù)逐漸成為當今社會研究的重點，以適應高壓大容量的應用要求。從測試條件來講，IGBT參數(shù)包括動態(tài)參數(shù)、靜態(tài)參數(shù)兩種類型，其中IGBT動態(tài)參數(shù)是IGBT開關(guān)動作中的相關(guān)參數(shù)，如上升/下降時間、導通/關(guān)斷延遲時間等；IGBT靜態(tài)參數(shù)是IGBT固有的參數(shù)，如開啟電壓、門極擊穿電壓等。IGBT靜態(tài)參數(shù)多且復雜，若參數(shù)不同，則測試方法、測試設備也有所差異。當前，IGBT靜態(tài)參數(shù)測試仍以單獨參數(shù)的測試為主。IGBT動態(tài)參數(shù)測試平臺多以雙脈沖測試為技術(shù)支撐，即以變換測試電路的工作狀態(tài)來獲得相應的動態(tài)特征。結(jié)合上述內(nèi)容，文章主要從動靜態(tài)參數(shù)兩個方面淺析高壓大容量IGBT測試方法。

1 IGBT靜態(tài)參數(shù)測試方法研究

IGBT靜態(tài)參數(shù)多且復雜，同時不同參數(shù)的測試方法也不同。為此，文章僅就下列較為重要的參數(shù)的測試方法進行研究。

1.1 門極參數(shù)VGES及IGES測試

VGES是門極擊穿電壓，VGES、IGES的測試流程為：CE短接→VGE每隔0.1V由0V開始上升→采集電流信號→繪制門極擊穿曲線→求得擊穿時的臨界門極電壓→確定VGES及IGES。然而，門極漏電流IGES為pA級，因此難以保障采集結(jié)果的準確度。鑒于此，本測試僅判斷是否擊穿器件門極，具體選用具備GPIB通信功能的2611數(shù)字源表。2611數(shù)字源表的關(guān)鍵參數(shù)為：電壓源的最大電壓、精度分別為200V、0.02%；電流源的最大電流、精度分別為10A、0.03%；電壓、電流的量程與精度分別為200V/0.05%、10A/0.02%。據(jù)此可知，2611數(shù)字源表能為VGES與IGES測試提供精度較高的電壓源、電流源及測量結(jié)果。

1.2 門極參數(shù)VGE（th）測試

VG（th）是開啟電壓，具體測試步驟為：IGBT GC端短接→將一個可調(diào)型電壓源接入CE端→電壓源每隔0.01V由0V開始上升，直至電流表所測到的電流Ic值與限定值吻合→確定門極電壓與開啟閥值相符，注意此電流閥值由器件固有的技術(shù)規(guī)格而定（100～200mA）。VGE（th）測試所用的測試設備與VGES相同。

1.3 功率端參數(shù)VCES及ICES測試

功率端參數(shù)VCES是集電極發(fā)射極間耐壓；ICES是集電極發(fā)射極間漏電流，VCES、ICES的測試流程為：IGBT CE端短接→電壓源以階梯形式升至擊穿的臨界狀態(tài)→以限流電阻R來限制回路的最大可通行電流，以防IGBT擊穿損壞器件。限流電阻R滿足下列函數(shù)式：R=VCES /[（1-10）Ic /106]，式中R的取值由被測器件的額定電流而定。VCES、ICES測試所用的測試設備為高壓源SR15-X-1200、數(shù)字萬用表DMM4050。

1.4 Cies、Coes及Cres測試

輸入電容測試是測量IGBT接入偏置電壓時的寄生型輸入電容Cies。輸入電容Cies滿足下列函數(shù)式：Cies=Cge+Cgc。據(jù)此可知，在測量時，需將IGBT集-射極之間寄生電容Cce的作用排除，即將一個電容（1uF）并聯(lián)在集-射極之間來屏蔽Cce。Cce的容值相當小（<10nF），并聯(lián)后的容值為1nF左右，此時再與IGBT的內(nèi)部電容Cge串聯(lián)起來，以屏蔽1nF電容。在柵射極之間加入10M電阻，以發(fā)揮虛短路的作用，從而維持IGBT的穩(wěn)定狀態(tài)。在電源與IGBT發(fā)射極、集電極之間加入1M電阻，以免電源對電路測量產(chǎn)生不利影響。在LCR柵極與電橋之間加入1uF電容，以免在儀器設備上直接接入直流電壓，從而確保測量的高精準度及設備的安全性。輸出電容Coes、轉(zhuǎn)移電容Cres的測試原理與輸入電容Cies相同，文章不做過多闡釋。

2 IGBT動態(tài)參數(shù)測量方法研究

與靜態(tài)參數(shù)測量相比，IGBT動態(tài)參數(shù)測量的方法較為簡單，多采用雙脈沖測試，注意此測試方法對測試裝置及后期數(shù)據(jù)的處理要求相當高。此外，測試電路對寄生電感的要求非常小，但對電壓與電流的采樣及相對延時的要求卻相當高，以確保測試參數(shù)的高準確度。

2.1 雙脈沖測試

雙脈沖測試所用的電路為感性負載的測試電路。雙脈沖測試具有驅(qū)動信號包含兩個脈沖的特點，兩個脈沖的作用如下：第一個脈沖是確保流經(jīng)器件的電流與測試所需的電流值相符；第二個脈沖是檢測被測器件的開通波形，注意兩個脈沖之間間隔的時間不宜過長或過短，具體在10～30us之間，詳見圖1。

如圖1所示，雙脈沖測試正式開始之前，母線電容需先預充電，以使母線電壓與測試所需電壓相吻合；t0時，驅(qū)動脈沖出現(xiàn)→IGBT導通→母線電容對電感充電→電感電流上升；t1時，流經(jīng)器件的電流升至測試所需的電流值→第一個脈沖結(jié)束→IGBT關(guān)斷→電感電流經(jīng)二極管續(xù)流；t2時，第二個脈沖出現(xiàn)→IGBT再次導通→器件的開通測試結(jié)束；t3時，第二個脈沖結(jié)束→IGBT關(guān)斷→電感電流經(jīng)二極管續(xù)流衰減至0→測試完畢。

2.2 IGBT動態(tài)測試平臺的相關(guān)技術(shù)

本IGBT動態(tài)測試平臺包含當前市面上全部中高壓模塊或器件的動態(tài)測試、串聯(lián)型高壓模塊的動態(tài)測試要求。據(jù)此可知，母線的最高電壓需到6.5kV，而電流測試能力預計≥800A。因此，在動態(tài)測試中，IGBT動態(tài)測試的瞬時能量源自母排電容，從而保障測試的安全性。在不同電壓等級的測試下，可對電容的選擇進行優(yōu)化，即按當前中高壓IGBT器件的容量分類對母線電容的選擇進行優(yōu)化。在IGBT動態(tài)測試中，首先采用預充電法完成母線電容的充電，以方便后續(xù)的雙脈沖測試，注意在充電時，應考慮到第一個脈沖在電容上引起的電壓下跌問題。LGBT動態(tài)測試平臺要求在測試不同電壓及電流下器件開關(guān)的動態(tài)特征時，應以器件的正常工作為前提，因此就電壓功率等級不同的IGBT模塊來講，電壓與電流的測量范圍應分別設定為：20%x額定電流～100%x額定電流、20%x額定電壓～65%x額定電壓。母線電容與負載電感的量值會對母線電容的電壓下跌量及電感電流的上升率產(chǎn)生影響，因此在雙脈沖測試時，母線電容應先完成電感充電，即電容分別與電感、母線電壓的下跌量呈負相關(guān)。但須注意，當電感過小時，高壓小電流所需的測試電流充電時間也相當短，因此不易控制。

3 結(jié)束語

當前，IGBT動靜態(tài)參數(shù)的公共測試平臺仍處在國外廠家壟斷的狀態(tài)，而國內(nèi)對IGBT測試的相關(guān)研究尚處在起步階段，因此需建立一套高壓大容量功率的半導體器件公共測試平臺，以促進國內(nèi)大功率電力電子器件的健康發(fā)展。

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