一種溫控型雙脈沖測試平臺的設計與應用

王愛玲

（濟寧職業技術學院，山東 濟寧 272037）

1 雙脈沖測試概述

IGBT是電力電子設備中的核心部件，一方面其工作特性直接決定了設備的工作性能，另一方面其驅動設計好壞對自身工作具有至關重要的影響[1,2]。雙脈沖測試被廣泛應用于大功率IGBT模塊的驅動設計及開關特性分析[3,4]。其測試電路如圖1所示，包括直流電源VDC、負載電感以及一組IGBT橋臂。通過對橋臂下管施加連續的兩個驅動脈沖實現開關特性測試，其中第一個脈沖用于建立工作電流和測試關斷特性，第二個脈沖用于測試開通特性及二極管的反向恢復[5]。

圖1 雙脈沖測試電路圖

雙脈沖測試的主要用途包括以下4各方面。一是對比不同的IGBT的參數，如同一品牌不同系列產品的參數，或者是不同品牌的IGBT的性能。二是獲取IGBT開關過程中的主要參數，以評估驅動電路和驅動電阻數值是否合適評估、是否需要配吸收電路等。三是考量IGBT在變換器中工作時的表現，如二極管的反向恢復電流是否合適、關斷電壓尖峰是否合適以及開關過程中是否有震蕩等，四是計算IGBT開關損耗。

已有的關于雙脈沖測試的研究報道主要集中在該測試方法的原理、設計與實現，卻鮮有文獻報道雙脈沖測試平臺的設計，特別是考慮溫度影響之后，如何實現在可調節的溫度下進行雙脈沖測試實驗[6]。為此，本文提出了一種溫控型雙脈沖測試平臺的設計，可實現高達150 ℃的IGBT雙脈沖測試，以獲得器件在高溫環境下的開關特性及開關損耗等。IGBT實際運行時，結溫也比較高，高溫測試對驅動可靠性測試及驅動損耗精確估算有重要意義。

2 負載電感設計

負載電感值選擇時需要考慮測試電路特征阻抗和電流建立最小時間兩個限制。

根據上述兩個限制條件可以給出負載電感的邊界值，由于單元中電容值都取得很大，因此測試電路特征阻抗可以忽略不計，考慮最小電流建立時間的影響。負載電感設計需要注意兩個問題，一是負載電感需要承受足夠的電壓，匝間絕緣和層間絕緣要加強。二是實驗期望電感量在所測電流范圍內都能保持一個相對恒定的數值，采用空芯繞制。

當高度遠大于內徑時，空心電感設計公式為：

式中，a、b分別表示內徑和高度；n為匝數。

負載電感現有兩種骨架可供選擇，均采用3 mm的絲包線，單層繞制，設計電感值為200 μH，并做對比如表1所示。

表1 電感骨架對比

可以發現，繞制同樣感值的電感，骨架I繞制的線圈要比骨架II少很多，因此采用骨架I。實際制作時，采用骨架I繞了74匝，理論電感值為200 μH，實測值為248.7 μH。

3 溫控平臺設計

溫控平臺主要用于對IGBT進行高溫下的特性測試，要求可以加熱到150 ℃進行雙脈沖測試，以獲得器件在高溫環境下的開關特性及開關損耗等。高溫測試對單元穩定性的提高有很大幫助。

平臺設計包括隔熱板、鑄鋁加熱板、溫控儀以及可變雜散電感4個主要部件。其中隔熱板要求絕緣、絕熱、阻燃，平臺中采用陶瓷地板。鑄鋁加熱板內置加熱管，溫度可以加熱到150 ℃及以上，平臺中采用的加熱板溫度可以加熱到280 ℃。加熱板的設計依據主要是IGBT安裝孔的數目與位置，以及加熱板與溫控儀的連接點。溫控儀的溫度控制精度高（最好有反向PID控制），控制范圍可達180 ℃以上。本設計中，溫控儀選用了國產的XMTD-8411，配合10 A的國產固態繼電器進行加熱功率控制。可變雜散電感部分根據不同單元的實測雜散電感值進行雜散電感值的匹配。本設計中，可變雜散電感主要通過導線長度來控制。

4 實驗與分析

基于本文的設計方法制作了一個溫控型雙脈沖測試平臺，并完成了CM100DY-34A的實驗研究。通過多輪測試得出模塊在不同工作溫度下的開通能量Eon、關斷能量Eoff以及反向恢復能量Err，從而直觀地展現溫度對IGBT工作特性的影響。

實驗中，每一輪的測試步驟如圖2所示。測試開始后先確認母線電壓、工作溫度以及負載電流，接著確認數據采集器是否就緒，然后進行直流母線充電，在完成充電后發出雙脈沖，之后轉入負載電感放電。最后記錄實驗數據和波形，進入下一輪測試。實驗結果如圖3所示。選定25 ℃、80 ℃以及125 ℃共3個工作溫度點，分別繪制Eon-Ic曲線、Eoff-Ic曲線以及Err-Ic曲線，結果分別如圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）所示。不難發現，溫度對IGBT的工作特性影響非常明顯。以Err為例，同樣100 A的工作電流下，125 ℃時的反向恢復能量為25 ℃下的250%左右。

圖2 雙脈沖測試順序

圖3 不同溫度下的開關能量曲線

5 結 論

本文提出了一種溫控型雙脈沖測試平臺的設計方法，重點給出了負載電感和溫控平臺的設計思路。最后在CM100DY-34A模塊上進行了實驗驗證，實驗結果展現了IGBT工作溫度對工作特性的顯著影響，這對IGBT特性評估與對比以及損耗估算等均具有較大參考意義。