電動汽車IGBT模塊的雙脈沖測試方法

唐云飛，李國慶，任 鋼

（南京越博動力系統(tǒng)股份有限公司，江蘇 南京 210019）

IGBT模塊作為電動汽車電機(jī)控制器核心功率零部件，在動力鋰電池直流電逆變成電機(jī)所用三相交流電起到了關(guān)鍵作用，因此選用合適的IGBT模塊對電動汽車至關(guān)重要。雙脈沖試驗(yàn)是檢測IGBT模塊參數(shù)的重要方法，它能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：①能夠評估IGBT驅(qū)動板的功能和性能；②獲取IGBT模塊在開通、關(guān)斷過程的主要參數(shù)，以評估Rgon和Rgoff的數(shù)值是否合適；③對比不同IGBT模塊的參數(shù)；④開通關(guān)斷過程中是否有不合適的震蕩；⑤測量母排雜散電感Lσ。

1 試驗(yàn)平臺的搭建

1.1 雙脈沖測試基本電路

如圖1所示，電動汽車常用的單個IGBT模塊由VT1和VT2組成半橋電路。在測試過程中，首先用直流高壓電源對電容進(jìn)行充電，然后對VT1的門極給定電壓－8 V，使VT1保持關(guān)斷狀態(tài)，對VT2的門極施加上圖1所示的Uge+15 V雙脈沖信號，使整個半橋電路實(shí)現(xiàn)開通1、關(guān)斷1、開通2、關(guān)斷2過程，重點(diǎn)測量關(guān)斷1、開通2中的波形數(shù)據(jù)，對比測試IGBT模塊的數(shù)據(jù)手冊，分析出IGBT模塊及其驅(qū)動電路的開關(guān)特性。

圖1 雙脈沖測試基本電路

本次雙脈沖測試的IGBT模塊為Vincotech系列A0－VS122pa450M7－L758F70型號，該模塊集電極－發(fā)射極電壓Uce最大為1 200 V，集電極最大連續(xù)電流450 A，柵極－發(fā)射極電壓Uge范圍為±20 V （超過此電壓會導(dǎo)致柵極－發(fā)射極SiO2絕緣損壞或者可靠性下降，12 V、10 V等過低的門極電壓會導(dǎo)致集電極過大的損耗導(dǎo)致元件損壞）。測試使用的驅(qū)動電路基于1ED020I12－FA2單通道隔離驅(qū)動芯片設(shè)計，正電壓控制采用數(shù)據(jù)手冊推薦的+15 V，為了防止0 V關(guān)斷過程中可能出現(xiàn)的寄生開通問題，設(shè)置負(fù)電壓控制為－8 V。

1.2 雙脈沖試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用的儀器如圖2所示。包括ITECH高壓直流電源（1 000 V／20 A／6 kW）、泰克數(shù)字示波器MDO3024、一個泰克高壓差分探頭 （±1 500 V）、一個泰克低壓差分探頭 （±100 V）、PEM羅氏線圈CWTMini 15B（量程3 kA，電流變化率25 kA／μs）、泰克任意波形發(fā)生器AFG3102C。其中高壓差分探頭用于測量集電極－發(fā)射極Uce，低壓差分探頭測量柵極－發(fā)射極Uge，羅氏線圈測試發(fā)射極電流Ic。

1.3 雙脈沖信號的產(chǎn)生

試驗(yàn)中通過電腦連接泰克任意波形發(fā)生器AFG3021C，打開軟件編輯上位機(jī)界面中需要的雙脈沖波形，調(diào)節(jié)脈沖發(fā)生周期為120 s，脈沖次數(shù)為1次，觸發(fā)延遲10 s。此方式產(chǎn)生的脈沖用于模擬CPLD（EPM570T100A）產(chǎn)生的脈沖信號。通過上述方法產(chǎn)生的雙脈沖波形如圖3所示。

圖2 雙脈沖試驗(yàn)設(shè)備

圖3 雙脈沖測試波形

在雙脈沖測試前需要對任意波形發(fā)生器發(fā)出的脈沖Uge進(jìn)行測量，使波形幅值和脈寬達(dá)到測試要求以免IGBT模塊在測試過程中出現(xiàn)過流或者過壓導(dǎo)致?lián)p壞。從圖4Uge波形可以看出雙脈沖的上升沿和下降沿都有延遲現(xiàn)象，原因是當(dāng)驅(qū)動板焊接到IGBT模塊上時，不可避免地會存在寄生電感，且寄生電感與柵極電阻串聯(lián)，再加上IGBT模塊本身存在的寄生電容，寄生電感、電容的充放電導(dǎo)致了雙脈沖波形的延遲，驅(qū)動板柵極電阻的大小決定了上升沿和下降沿的斜率。

圖4 Uge測量波形

1.4 雙脈沖測試波形分析

用示波器驗(yàn)證雙脈沖測試波形無誤后，高壓電源設(shè)置電容兩端電壓Udc=540 V，任意波形發(fā)生器觸發(fā)設(shè)置好的雙脈沖信號，待IGBT模塊發(fā)出開關(guān)響聲或示波器采集到波形后立即關(guān)閉高壓電源和任意波形發(fā)生器。示波器放大后可以觀測采集到圖5雙脈沖測試波形。

圖5 雙脈沖測試波形

圖6 為開通過程1。在t0時刻，VT2門極發(fā)出第1個脈沖，VT2飽和導(dǎo)通，VT1截止關(guān)斷，直流電壓Udc加在空心電感L上，羅氏線圈測得的電流Ic線性上升，電流的表達(dá)式為：

當(dāng)Udc和L確定時，電流與時間成線性關(guān)系，為了控制輸出電流Ic＜Icrm，所以要嚴(yán)格控制脈沖的時間。根據(jù)上述公式和示波器曲線可以驗(yàn)證空心電感L的大小是否與LCR電橋測的一致。

圖6 開通過程1

圖7 為關(guān)斷過程1。在t1時刻，當(dāng)下管VT2關(guān)斷時，由于換流通路中雜散電感Lσ的存在，對IGBT的開關(guān)特性存在明顯的影響，會使集電極－發(fā)射極電壓出現(xiàn)過沖ΔUce。

為了防止損壞IGBT，就必須保證Uce．max低于IGBT的阻斷電壓Uces。

圖7 關(guān)斷過程1

在t1時刻，IGBT模塊VT2截止關(guān)斷，在t0開通階段存儲在空心電感上的能量全部通過二極管D1續(xù)流緩慢釋放。在t2時刻VT2再次飽和導(dǎo)通，Ic隨Uce的上升逐漸增加，當(dāng)IGBT的電流Ic超過二極管續(xù)流電流IF時，空心電感的感應(yīng)電動勢使續(xù)流二極管反向截止。因?yàn)榇嬖诜聪蚧謴?fù)特性，續(xù)流二極管的電流不能直接變?yōu)?，這時電感中的電流除了通過續(xù)流二極管續(xù)流外還有一部分反向電流疊加在Ic上，使圖7中Ic在t2時刻后出現(xiàn)上翹，所以導(dǎo)致了反向恢復(fù)電流尖峰。

在t2時刻，IGBT模塊開通過程如圖8所示。在IGBT模塊VT2開通后，柵極-集電極Uge開始上升。在圖8開通過程2時間t4處，Uge上升到閾值電壓Uge（to），這時集電極電流Ic開始上升。集電極電流的上升產(chǎn)生了電流變化率dic／dt，同時由于換流通路中的雜散電感，導(dǎo)致集電極-發(fā)射極電壓Uce迅速下降，即

在t3時刻，測量的波形與t1時刻相似，在此不做分析。

圖8 開通過程2

1.5 基本參數(shù)的測量

結(jié)合圖5雙脈沖測試波形和圖6開通關(guān)斷數(shù)據(jù)，測出Vincotech IGBT模塊在t1關(guān)斷和t2開通時刻開通延遲td（on）、上升時間tr、關(guān)斷時間td（off）、下降時間tf等基本參數(shù)。如圖9所示。

示波器可以跟蹤并記錄Uce（t）和Ic（t）的數(shù)值，然后利用上述數(shù)學(xué)公式分別對開通和關(guān)斷2個變量Uce（t）、Ic（t）相乘進(jìn)行積分，積分結(jié)果的值就是開通能量Eon和損耗能量Eoff。圖10為開通關(guān)斷損耗，圖11為開通損耗，圖12為關(guān)斷損耗。

圖9 開通關(guān)斷數(shù)據(jù)

圖10 開通關(guān)斷損耗

圖11 開通損耗

圖12 關(guān)斷損耗

通過示波器的測量和計算可以求出IGBT的基本參數(shù)（25℃），見表1。

2 結(jié)論

通過雙脈沖測試方法對電動汽車Vincotech系列A0-VS122pa450M7-L758F70型號的IGBT模塊及其驅(qū)動電路的開通和關(guān)斷過程進(jìn)行了測試。通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動電路能夠十分可靠地打開和關(guān)斷IGBT模塊，開通關(guān)斷過程中無不合適的震蕩，開通關(guān)斷過程中基本參數(shù)及損耗和數(shù)據(jù)手冊差值不大，能夠滿足基本使用要求。同時結(jié)合示波器測試結(jié)果對IGBT模塊開關(guān)過程進(jìn)行了介紹，另外也對一些曲線關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了原理分析。