工業(yè)變頻器研發(fā)中的特性檢測與試驗方法

一般來講，IGBT的選型包括電壓、電流和成本方面的考慮。但嚴(yán)格來講，損耗也是選型階段的一個考慮因素。分析損耗的方法基本有計算方法、軟件仿真方法和實驗方法三種。由于集電極-發(fā)射極飽和電壓Vce（sat）和二極管正向電壓VF分別是計算IGBT和反并聯(lián)二極管損耗的重要參數(shù)。因此在模塊選型和代換中，對這兩項電壓的評價試驗也是很重要的。測試時需要注意飽和電壓是只有數(shù)伏左右的低值，為了消除測量時示波器內(nèi)部增幅器飽和的影響，可以用下圖所示的外加電壓鉗制電路的方法。

圖1 IGBT飽和電壓的測量方法

為了安全測試特性需要注意上電順序，此外為保證在規(guī)定的結(jié)溫下，測定電壓，必須使用低占空比的脈沖測試法。

交換損耗表示了從交換開始到交換動作完成回復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)為止所發(fā)生的損耗。開關(guān)損耗與直流側(cè)電壓、集電極電流、門極電壓及驅(qū)動電阻都有關(guān)系。因此，試驗測量開關(guān)損耗時必須注意上述試驗條件。開關(guān)損耗的波形包括電壓和電流的波形，請使用示波器的圖形面積計算功能進(jìn)行，注意使用有效的濾波措施消除示波器對電流波形采集的失真。下圖給出了IGBT開關(guān)損耗的實測波形。

(a) 開通損耗 (b) 關(guān)斷損耗

圖2 IGBT開關(guān)損耗的實測波形（Vce：200V/div，Vge：10V/div，Ic：200A/div）

（試驗條件：直流側(cè)電壓600V、集電極電流600A、門極驅(qū)動電阻3.3Ω、驅(qū)動電壓+15V及-10V）

（2）驅(qū)動電路評價試驗

在門極驅(qū)動電路設(shè)計中，驅(qū)動電壓、電流和功率的測量是重要的項目。下圖給出了大容量變頻器中的門極驅(qū)動電壓瞬間波形。由于采用了正負(fù)雙電源的供電模式，可以看出：導(dǎo)通時電壓值為+15V左右，關(guān)斷時電壓值為-10V左右。

（a） ON （b） OFF

圖3 門極電壓實測波形

（3）保護(hù)電路評價試驗

IGBT使用中最重要的一個方面是器件的電壓和電流不能超過安全工作區(qū)：①在關(guān)斷時，包括任何被要求的過載條件下，集電極峰值電流必須處在開關(guān)安全工作區(qū)的規(guī)定之內(nèi)②在短路時，保護(hù)電路的動作時間不能超過短路耐量。相關(guān)的評價試驗包括關(guān)斷安全工作區(qū)確認(rèn)試驗和短路試驗。下圖給出了兩種試驗中的實測波形圖。

(a) 浪涌電壓測試波形 (b) 短路電流測試波形

圖4 安全工作區(qū)確認(rèn)試驗實測波形

測量時需要注意：①使用有充分頻率的頻帶的探測器和示波器②事先調(diào)整示波器的靈敏度，調(diào)整探測器的頻率修正③測量用探測器與元件的端子直接相連④注意CT的檢測靈敏度和變流比。尤其在測量浪涌電壓時電流的方向需要格外注意，因為不同的電流方向代表了浪涌電壓來自于IGBT還是反并聯(lián)二極管。

（4）散熱性能評價試驗

IGBT使用中最重要的另一個方面是任何情況下，IGBT的工作結(jié)溫必須始終保持在Tjmax以下。要達(dá)到這樣的要求，需要進(jìn)行精確的損耗計算，進(jìn)而設(shè)計優(yōu)良的散熱系統(tǒng)。散熱性能的評價主要是溫度試驗。當(dāng)然溫度試驗并不完全是為IGBT而準(zhǔn)備的，變頻器中其他元器件同樣需要進(jìn)行溫度試驗，包括電解電容、變壓器、接觸器及驅(qū)動電路上的主要器件等等。

溫度試驗首先要確定器件的溫度測量點，然后要模擬各種過載條件，以保證在最惡劣的情況下器件的結(jié)溫不超過最大值。