本發(fā)明涉及一種對絕緣柵雙極晶體管(IGBT)動態(tài)開關特性參數(shù)的快速測量方法及裝置，具體地說，涉及對處于額定工作狀態(tài)下，高耐壓高功率的IGBT(以1200V，150A為例)的驅(qū)動端輸入雙脈沖信號實現(xiàn)IGBT快速關斷和導通，再使用排除電力干擾的測量系統(tǒng)對IGBT的動態(tài)特性(上升下降時間，上升下降延遲時間，開關能量)進行測量。本測試系統(tǒng)基于雙脈沖技術，對IGBT的驅(qū)動電路進行了優(yōu)化，采用單片機編程輸出信號搭配IGBT驅(qū)動板對輸出信號隔離并升壓實現(xiàn)對IGBT的開啟和關斷。對于測試主電路則對DBC基板鍍銅形成銅板以形成測試主電路的回路。本系統(tǒng)可以測試耐壓值最大3300V的IGBT的動態(tài)開關特性，屬于電力測試領域的創(chuàng)新型技術。

背景技術：

雙脈沖測試技術作為一種測試IGBT動態(tài)特性的技術，可以在短時間內(nèi)清晰反映出IGBT的動態(tài)開關性能，其測試方法簡單、波形顯示清晰，動態(tài)參數(shù)的計算方法方便。雙脈沖測試技術利用使IGBT開啟和關斷的幅值電壓(+15V/-8V)，和特定的脈沖時間實現(xiàn)對IGBT額定工作過程中開關動態(tài)性能的測試。測試的IGBT為兩個IGBT串聯(lián)的半橋模塊，IGBT低電位側的開關由單片機發(fā)出雙脈沖信號經(jīng)由IGBT驅(qū)動板隔離放大后控制開斷，而在IGBT高電位側并聯(lián)著一個電感。當單片機給低電位側IGBT(被測IGBT)的柵極和發(fā)射極之間加上正向脈沖時，并聯(lián)在IGBT模塊高電位側開關的電感逐漸充電，直到集電極電流到達100％的測試電流。接著IGBT迅速關斷，電感通過并聯(lián)在高電位側IGBT的續(xù)流二極管放電，然后IGBT又迅速地恢復導通。在這個過程中，IGBT導通和關斷的特性可以用上升時間(tr)，下降時間(tf)，導通損失(Eon)，關斷損失(Eoff)，導通延遲時間(td on)，關斷延遲時間(td off)和總能量損失(Etot)等開關特性來表征。傳統(tǒng)的雙脈沖測試系統(tǒng)所測試的IGBT模塊耐壓值較小，但隨著IGBT制造工藝技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)在IGBT的耐壓值越來越大，所以我們需要能夠測試高耐壓值的IGBT的動態(tài)開關測試系統(tǒng)。傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)中示波器受到主電路的干擾非常大，導致測試波形會隨著脈沖的發(fā)出出現(xiàn)相應的畸變，實驗波形圖受到影響，測試結果的誤差非常大，所以我們需要一種優(yōu)秀的隔離技術。傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)不能根據(jù)測試情況適時對雙脈沖波形寬度進行調(diào)整，不好及時應對實驗中不同測試器件和電感參數(shù)的變化，我們需要隨時可調(diào)的雙脈沖寬度。

本發(fā)明以雙脈沖測試技術為基礎，利用可編程的單片機發(fā)出可以在測試時隨時調(diào)整脈沖雙脈沖信號，并通過電磁屏蔽，隔離變壓器和差分隔離探頭對主電路和測試電路進行隔離，減少主電路高壓脈沖對測試波形的干擾。主電路采用鍍銅的DBC基板連通，進一步減少主電路內(nèi)寄生參數(shù)大小。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決高耐壓高功率IGBT模塊的動態(tài)開關特性參數(shù)的測試問題。采用最大電壓為2000V的線性穩(wěn)壓穩(wěn)流電源和4個1200V，270uF的薄膜電容器并聯(lián)提供IGBT主電路測試電源，主電路測試電源與0.21mH的電感器，MMG100SR120B的測試模塊，0.00967Ω的采樣電阻簡單串聯(lián)形成主電路。驅(qū)動電路則由單片機輸出信號，IGBT驅(qū)動板，雙通道小電源簡單構成；雙通道小電源的5V端口，15V端口，負極端口和單片機的輸出端口連接在IGBT驅(qū)動板的左端，IGBT驅(qū)動板的右端則連著MMG100SR120B的測試模塊G端和E端。示波器電路則由高壓差分隔離探頭，分別連接在測試模塊的G、E兩端，C、E兩端，以及采樣電阻兩端。為測量IGBT動態(tài)開關特性參數(shù)，提供了一個操作簡單，測試時間短，且安全可靠，測試精度較好的測試平臺。

本發(fā)明方法通過以下技術方案實現(xiàn)。

一種利用雙脈沖技術測試IGBT動態(tài)開關特性的測試方法及裝置；利用單片機發(fā)出雙脈沖信號，第一個脈沖使得測試IGBT達到額定工作電流，第二個脈沖用于測試IGBT的動態(tài)特性，利用示波器和差分隔離探頭測試開關時IGBT的動態(tài)電壓和電流參數(shù)。

通過單片機發(fā)出的雙脈沖信號進過IGBT驅(qū)動板進而實現(xiàn)控制IGBT在極短的時間內(nèi)開斷，通過隔離變壓器將實驗電路和測試電路隔離避免信號相互干擾；利用接隔離變壓器的示波器和差分隔離探頭對主電路的電流和IGBT兩端電壓已經(jīng)驅(qū)動電路輸出端的電壓進行測量，由示波器記錄下波形圖；根據(jù)上升下降時間，延遲時間，開關能量計算出這些IGBT動態(tài)開關特性參數(shù)的大小。

本發(fā)明的IGBT的動態(tài)開關特性測試步驟如下：

(1)確定電路接線的電容器，IGBT模塊各端口之間沒有壓差；

(2)將高壓直流電源三角插頭插上，保證電源地線接地，示波器地線接地；

(3)將不測試的IGBT觸發(fā)段的GE之間短接；

(4)將示波器調(diào)整到采集信號狀態(tài)，打開雙通道電源供應IGBT驅(qū)動板5V和15V的直流電，讓單片機觸發(fā)一次5V脈沖信號，觀察雙脈沖波形是否能在示波器測量通道CH1中被采集到；

(5)打開高壓電源，將電壓升高到600V，從通道CH2中看到母線電壓的變化情況；

(6)將示波器再次調(diào)整到采集狀態(tài)，將三個通道CH1，CH2，CH3都打開；使用單片機觸發(fā)一次雙脈沖信號；

(7)記錄示波器的波形；

(8)將高壓電源電壓緩緩下降到0V，關閉高壓電源并且關閉雙通道電源；

(9)檢驗電容組，IGBT模塊各端口之間沒有壓差。

測試1200V的IGBT時，測試電壓為600V。

單片機發(fā)出的第一個脈沖寬度優(yōu)選為36us，第二個脈沖寬度優(yōu)選為10us。

為了實現(xiàn)以上方法，發(fā)明了IGBT雙脈沖測試裝置。該裝置可以實現(xiàn)對大功率IGBT動態(tài)性能的測試。該裝置由線性高壓直流電源和耐高壓的電容母排作為測試電路輸入端，5V和12V的兩個直流電源以及單片機輸出的5V脈沖信號作為驅(qū)動電路的輸入端。兩個IGBT通過半橋電路連接，電感與高壓側IGBT并聯(lián)用于控制電流。測量端由差分隔離表筆接示波器測出。

本發(fā)明的優(yōu)點：

(1)本發(fā)明創(chuàng)造性地利用了鍍銅的DBC基板作為雙脈沖測試主電路的電路接線板，有效地降低了測試電路中的寄生參數(shù)，使得測試精度、安全性提高。

(2)本發(fā)明使用可編程單片機作為信號發(fā)生源，設計的程序可以在實驗中隨時根據(jù)情況調(diào)節(jié)脈沖寬度，分度值為1us。這種設計能很好地對實驗不同狀況做出調(diào)整，使得測試的IGBT工作在額定電流下，測試的IGBT動態(tài)開關特性參數(shù)就會更加準確。

(3)本發(fā)明對驅(qū)動電路和主電路采用BG2C-IGBT通用驅(qū)動板進行隔離，對主電路和示波器電路采用隔離變壓器和高壓差分隔離探頭雙重方式進行隔離。使得測試波形圖干擾，振蕩小，測試結果更加準確。

附圖說明

圖1為本案例所搭建實驗裝置電路圖。

圖2本方法案例所搭建實驗裝置系統(tǒng)圖。

圖3為本方法案例所搭建實驗裝置部件連接示意圖。

圖4為本方法案例所用鍍銅DBC基板電路圖。

圖5為本實驗測試電壓電流參數(shù)波形圖。

圖6a為放大后IGBT開通時電壓U_GE和電流I_C波形圖。

圖6b為放大后IGBT關斷時電壓U_GE和電流I_C波形圖。

圖7a為放大后IGBT開通時電壓U_CE和電流I_C波形圖。

圖7b為放大后IGBT關斷時電壓U_CE和電流I_C波形圖。

圖8a為IGBT開通時開關能量圖。

圖8b為IGBT關斷時開關能量圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種基于雙脈沖技術的IGBT動態(tài)開關特性測試的裝置。整套裝置包括一臺最大值為2000V的TN-XXZ02的精密線性穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，4個270uF，耐壓值1200V，CORNELL DUBILIER公司生產(chǎn)型號為947C271K122CCMS的薄膜電容器，一塊表面鍍銅的DBC基板，一個0.21mH的電感器，一個IGBT測試模塊MMG100SR120B，一個0.00967Ω的采樣電阻，一塊BG2C-IGBT通用驅(qū)動板，一個雙通道電源(+5V，+15V)一個泰克示波器，兩個泰克高壓差分隔離探頭，一個普通探頭線和一個大的有機玻璃箱。

以IGBT模塊MMG100SR120B為測試用模塊，利用雙脈沖技術及上文給出的測試裝置實現(xiàn)對IGBT模塊動態(tài)開關特性的參數(shù)測量。其中所涉及的采樣電阻由弗吉尼亞理大學陸國權教授提供，鍍銅的DBC基板由天津大學材料學院電子封裝實驗室設計加工。所述IGBT動態(tài)開關特性測試裝置的具體說明如下：

1、所述雙脈沖技術及IGBT動態(tài)開關特性測試裝置

(1)IGBT動態(tài)開關特性測試裝置采用雙脈沖技術，IGBT動態(tài)開關特性測試的實驗電路圖如圖1所示。當單片機通過IGBT驅(qū)動板發(fā)出第一個脈沖信號時，測試IGBT開通，IGBT上的電壓瞬間下降，由于主電路電感的作用，主電路電流不斷上升。第一個脈沖結束后，IGBT關斷，IGBT上電壓瞬間增大到電源電壓，電流通過續(xù)流二極管放電而幾乎保持不變，此時的主電路電流已經(jīng)達到了測試所需的額定電流。第二個脈沖開始，IGBT開通，IGBT上電壓再次下降，主電路電流再次上升，此時觀察記錄下IGBT上的電壓瞬間變化波形和電流瞬間變化波形可求出IGBT開通時動態(tài)特性參數(shù)。第二個脈沖結束時，IGBT再次關斷，電壓瞬間上升至電源電壓，而主電路電流則很快降到0。

(2)IGBT動態(tài)開關特性測試的系統(tǒng)圖，如圖2所示，分為主電路和驅(qū)動電路。驅(qū)動電路主要由單片機,雙驅(qū)動通道直流電源和IGBT驅(qū)動板構成，用以產(chǎn)生開關IGBT所需的脈沖電壓。主電路圖則是標準的IGBT雙脈沖測試電路圖的半橋電路。通過短接一端的IGBT來測試另外一端IGBT開關時的動態(tài)特性參數(shù)。

2、所述IGBT動態(tài)開關特性測試具體步驟如下：

(1)檢查電路接線是否正確，用萬用表直流電壓檔檢查電容器，IGBT模塊各端口之間有沒有殘存的電壓(儀器放置在有機玻璃里時間久了可能后感應出靜)，如果存在壓差，請務必用導線將其釋放。

(2)將高壓直流電源三角插頭插上，保證電源地線接地，示波器地線接地。

(3)將不測試的IGBT觸發(fā)段的GE之間短接。

(4)將示波器調(diào)整到采集信號狀態(tài)，打開雙通道電源供應IGBT驅(qū)動板5V和15V的直流電，讓單片機觸發(fā)一次5V脈沖信號，觀察雙脈沖波形是否能在示波器測量通道CH1中被采集到。

(5)打開高壓電源，將電壓緩慢升高到600V(此時可以看到從通道CH2中看到母線電壓的變化情況)。

(6)將示波器再次調(diào)整到采集狀態(tài)，將三個通道CH1，CH2，CH3都打開。使用單片機觸發(fā)一次雙脈沖信號。

(7)觀察分析示波器的波形。

(8)將高壓電源電壓緩緩下降到0V，并等待一段時間，關閉高壓電源并且關閉雙通道電源。

(9)檢驗電容組，IGBT模塊還有沒有殘留電壓，如果有需要用導線放干凈。

主電路測試優(yōu)選600V(測試1200V的IGBT)。單片機發(fā)出的第一個脈沖寬度優(yōu)選為36us，第二個脈沖寬度優(yōu)選為10us。

在實驗前需要對實驗儀器進行靜電檢查，操作時需戴上防靜電手環(huán)。實驗產(chǎn)生的脈沖強度較大，EMC的影響不可忽略，因此在主電路電感器和單片機上裹上金屬膠帶進行電磁屏蔽，電磁屏蔽的金屬外殼連線一定要接觸充分，并且接地。鍍銅的DBC基板線路之間的間隙為5mm如圖4所示，預留出充分大的間隙以免出現(xiàn)火花。

實驗測試在主電路電壓為600V，即IGBT模塊最大耐壓值的一半時，使用示波器測得的IGBT開關時的驅(qū)動電路輸出電壓U_GE，IGBT兩端電壓U_CE以及集電極電流I_C，如圖5所示。通過放大第二個脈沖開啟和關斷瞬間的波形，如圖6，圖7，圖8所示，可以清晰地觀察到IGBT開關時參數(shù)的動態(tài)變化，結合這些參數(shù)的定義，可以較為精確地計算出IGBT模塊的上升下降時間，上升下降延遲時間，開關能量等參數(shù)。

本發(fā)明公布的這種采用雙脈沖技術搭建的IGBT動態(tài)開關特性測試裝置能夠簡潔地獲取IGBT輸出電壓U_GE，IGBT兩端電壓U_CE以及集電極電流I_C隨時間變化的波形。將實驗所得波形和參數(shù)與IGBT datasheet上的相應參數(shù)比較，誤差較小，并且實驗波形和理論波形基本一致，電壓參數(shù)U_GE,U_CE和電流參數(shù)I_C的大小變化情況也與理論計算所得的情形接近。令人關注的IGBT動態(tài)特性參數(shù)td on,td off,tr,tf同樣與datasheet上一致，反映出總下降時間比總上升時間大的特性。實驗測得的開關能量Eon和Eoff也和datasheet上在同一個范圍內(nèi)。實驗電路各個連接點在實驗時比較穩(wěn)定，在高壓，大電流下并沒有出現(xiàn)火星，熔斷，短路等異常情況。并且實驗重復多次，測得的參數(shù)都在一個范圍內(nèi)。本發(fā)明的測試裝置具有安全性和可操作性，可以實現(xiàn)對IGBT動態(tài)特性的實驗測量并且實驗迅速，工藝簡單。