一種SiC IGBT串聯(lián)閥組動態(tài)均壓特性和反向恢復特性的測試方法及測試電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種SiC IGBT串聯(lián)閥組動態(tài)均壓特性和 反向恢復特性的測試方法及測試電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 在高壓大功率變換器中，IGBT單管的耐壓等級非常有限，遠不能滿足實際工程應 用需求。IGBT直接串聯(lián)技術(shù)是解決該問題的一種重要的方法。該方法大大簡化了高壓大功 率變換器的結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)簡單，關(guān)鍵問題在于如何確保各串聯(lián)器件的動、靜態(tài)電壓均衡， 尤其是動態(tài)電壓均衡，以防止器件因過電壓而損壞。
[0003] 引起串聯(lián)器件動態(tài)電壓不均衡的原因很多，其中一條很重要的原因是：反向二極 管恢復特性的差異性。在感性負載情況下，IGBT開通時與續(xù)流二極管之間存在一個換流過 程，由于二極管的反向恢復時間和動態(tài)過程的差異，在IGBT開通瞬間，會在續(xù)流二極管兩 端產(chǎn)生過電壓。在橋式電路中IGBT通常與二極管反向并聯(lián)，二極管兩端的過電壓即為IGBT 的過電壓。
[0004] 為了對IGBT的動態(tài)特性和反向恢復特性進行分析，常使用雙脈沖測試法。雙脈 沖測試法的測試電路如圖1所示。圖1中下管IGBT是被測對象，上管IGBT的門極上加了 負壓，因此是關(guān)斷的，只有續(xù)流二極管起作用。測試時對下管IGBT施加周期性的脈沖信號 Vge，同時監(jiān)測Vce電壓和Ic電流。根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)分析IGBT的動態(tài)特性和反向恢復特 性。
[0005] SiC肖特基二極管作為一種新型的功率器件，其少子壽命比Si小6個數(shù)量級，其反 向恢復電流非常小，反向恢復時間非常短，在目前功率器件有限的開關(guān)速度驅(qū)動下，幾乎無 法測量到明顯的反向恢復波形。將SiC肖特基二極管與IGBT組合，能夠改善IGBT開斷過 程中的動態(tài)均壓效果和減少反并聯(lián)二極管導致的過壓尖峰。因此，基于SiC IGBT搭建的串 聯(lián)閥組，其串聯(lián)均壓特性與Si IGBT串聯(lián)閥組有所不同。
[0006] 由于SiC IGBT串聯(lián)閥組的這些特點，雙脈沖測試方法不能完全適應SiC IGBT串 聯(lián)閥組的測試。雙脈沖測試方法的測試過程如圖2所示，由該過程可知該方法并沒有把續(xù) 流二極管的測試放在一個重要的位置，其是在第二個脈沖的上升沿測試續(xù)流二極管的關(guān)斷 特性的，而此時功率器件并非工作在額定電流。而且雙脈沖測試方法只有較小的電感負載， 電流上升極快，在第二個脈沖下降沿電流就已經(jīng)上升到設(shè)計額定值。由于額定工作時間極 短，只能測試到IGBT在額定電流處的關(guān)斷特性，并不能對IGBT額定工作點處的開通特性測 量到，并且只能測量到一個關(guān)斷波形，不能進行額定工作點附近的開關(guān)特性對比。同時，雙 脈沖測試需要對脈沖寬度進行設(shè)計，需要特殊的脈沖發(fā)生裝置，不能直接進行實際工況的 模擬運行。顯然，由于雙脈沖測試方法存在的以上缺點，已經(jīng)不能對SiC IGBT串聯(lián)閥組進 行有效的測試。
[0007] 在SiC IGBT串聯(lián)閥組中，SiC續(xù)流二極管的特性非常重要，其不僅影響本身的過 壓過流情況，而且會影響對管IGBT的過壓過流情況，因此必須對其設(shè)計新的具有針對性的 測試方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明目的是：為了克服現(xiàn)有雙脈沖測試方法不能完全適應SiC IGBT串聯(lián)閥組 的測試的情況，提出一種SiC IGBT串聯(lián)閥組動態(tài)均壓特性和反向恢復特性的測試方法及測 試電路。
[0009] 具體地說，本發(fā)明公開的SiC IGBT串聯(lián)閥組動態(tài)均壓特性和反向恢復特性的測試 方法，是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，包括以下步驟： 1) 將被測SiC IGBT串聯(lián)閥組連接到測試電路中，所述測試電路包括母線電容、電阻、電 抗、開關(guān)和外充電回路，所述被測SiC IGBT串聯(lián)閥組為2組，每組被測SiC IGBT串聯(lián)閥組 均由多個SiC IGBT直接串聯(lián)而成，2組被測SiC IGBT串聯(lián)閥組同向串聯(lián)構(gòu)成被測單元，被 測單元與母線電容并聯(lián)，電阻和電抗串聯(lián)構(gòu)成功率負載單元，所述開關(guān)為2個，功率負載單 元的一端連接在2組被測SiC IGBT串聯(lián)閥組之間、另一端分別通過1個開關(guān)連接到母線電 容的兩端，外充電回路用于給母線電容進行充電并能在完成充電后與母線電容斷開； 2) 選擇1組被測SiC IGBT串聯(lián)閥組作為測試動態(tài)均壓特性的被測閥組，另1組被測 SiC IGBT串聯(lián)閥組相應作為測試反向恢復特性的被測閥組； 3) 設(shè)定數(shù)據(jù)監(jiān)測點，包括測試動態(tài)均壓特性的被測閥組中每個SiC IGBT兩端的電壓和 過壓尖峰峰值大小與尖峰時間以及該被測閥組的電流，以及流過測試反向恢復特性的被測 閥組的電流、該被測閥組兩端的電壓、電壓及電流尖峰峰值大小與尖峰時間和該被測閥組 中續(xù)流二極管的反向恢復時間； 4) 閉合與測試反向恢復特性的被測閥組相連的開關(guān)，斷開與測試動態(tài)均壓特性的被測 閥組相連的開關(guān)，用外充電回路給母線電容進行充電，完成充電后斷開外充電回路； 5) 向測試動態(tài)均壓特性的被測閥組施加持續(xù)的固定頻率的脈沖信號，通過功率負載單 元對母線電容進行放電，使得功率負載單元的負載電流先緩慢增大后緩慢減小，在母線電 壓壓降在測試動態(tài)均壓特性的被測閥組的額定工作電壓值的±10%以內(nèi)時讓功率負載單 元的負載電流的峰值達到測試動態(tài)均壓特性的被測閥組的額定工作電流值，直至母線電容 上儲存的電能全部釋放，其中脈沖信號的頻率設(shè)定要使得在測試動態(tài)均壓特性的被測閥組 下一次開通時測試反向恢復特性的被測閥組的續(xù)流過程尚未結(jié)束，且在功率負載單元的負 載電流在測試動態(tài)均壓特性的被測閥組的額定工作電流值±5%范圍內(nèi)時脈沖數(shù)不少于5 個； 6) 將監(jiān)測的數(shù)據(jù)放入同一坐標系中進行對比分析，完成測試動態(tài)均壓特性的被測閥組 的動態(tài)均壓特性分析和測試反向恢復特性的被測閥組的反向恢復特性分析； 7) 將本輪測試動態(tài)均壓特性的被測閥組作為下一輪測試反向恢復特性的被測閥組， 本輪測試反向恢復特性的被測閥組作為下一輪測試動態(tài)均壓特性的被測閥組，重復步驟 3) -6)進行下一輪測試，從而完成每組被測閥組的動態(tài)均壓特性和反向恢復特性的全部分 析，結(jié)束本方法。
[0010] 上述方法的進一步特征在于，所述開關(guān)為空氣開關(guān)。
[0011] 本發(fā)明公開的用于SiC IGBT串聯(lián)閥組動態(tài)均壓特性和反向恢復特性測試的測試 電路，是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：包括母線電容、電阻、電抗、開關(guān)和外充電回路，被測SiC IGBT串聯(lián)閥組為2組，每組被測SiC IGBT串聯(lián)閥組均由多個SiC IGBT直接串聯(lián)而成，2組 被測SiC IGBT串聯(lián)閥組同向串聯(lián)構(gòu)成被測單元，被測單元與母線電容并聯(lián)，電阻和電抗串 聯(lián)構(gòu)成功率負載單元，所述開關(guān)為2個，功率負載單元的一端連接在2組被測SiC IGBT串 聯(lián)閥組之間、另一端分別通過1個開關(guān)連接到母線電容的兩端，外充電回路用于給母線電 容進行充電并能在完成充電后與母線電容斷開。
[0012] 上述測試電路的進一步特征在于，所述開關(guān)為空氣開關(guān)。
[0013] 本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明中的測試方法從IGBT直接串聯(lián)應用中所緊密相 關(guān)的動態(tài)特性出發(fā)，基于雙脈沖測試方法，并通過一些改進措施，彌補雙脈沖測試方法的不 足，使得其能夠適應SiC IGBT串聯(lián)閥組的測試。將雙脈沖測試電路中的感性負載改為阻感 負載，通過合理的設(shè)計，使得負載電流先緩慢增大后緩慢減小，其峰值達到被測閥組的額定 工作電流值，從而保證在測試時有一個較長的額定工作區(qū)域，可以在額定工作區(qū)域里面觀 察多個額定工作點附近的情況，不僅是IGBT的開通關(guān)斷特性，而且還有續(xù)流二極管的開通 關(guān)斷特性，還可以在整個測試過程中觀察電壓電流過沖情況，對其變化特點進行一定的掌 握，方便觀察其變化規(guī)律。測試時使用定頻多脈沖方法獲得持續(xù)動態(tài)過程，能夠快速對SiC IGBT串聯(lián)閥組所關(guān)心的動態(tài)均壓特性和反向恢復特性進行快速準確的測量。本發(fā)明的測試 方法可同時對兩個串聯(lián)閥組進行測量，分別進行不同的測試內(nèi)容，在單次測量內(nèi)，可實現(xiàn)在 不同的電壓電流工況（電壓從大變小，電流從小變大，再變小）下，完成對動態(tài)均壓特性和反 向恢復特性的變化進行持續(xù)監(jiān)測，連續(xù)進行兩次，完成一次測試過程，且不需要特殊的脈沖 發(fā)生裝置，一個簡單的控制系統(tǒng)即可滿足要求。
【附圖說明】
[0014] 圖1為雙脈沖測試法的原理圖。
[0015] 圖2為雙脈沖測試法的驅(qū)動脈沖及電壓電流波形示意圖。
[0016] 圖3為本發(fā)明測試電路的原理圖。
[0017] 圖4為本發(fā)明SiC IGBT串聯(lián)閥組（閥臂）的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖5為本發(fā)明SiC IGBT串聯(lián)閥組（閥臂)驅(qū)動脈沖及上半橋臂、下半橋臂電壓電流 波形示意圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面參照附圖并結(jié)合實例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0020] 實施例1 :該實施例的用于SiC IGBT串聯(lián)閥組動態(tài)均壓特性和反向恢復特性測試 的測試電路原理如圖3所示。圖3中，C為母線電容，Gl和G2為同時測量的兩個IGBT串聯(lián) 閥組，Gl為上半閥臂，G2為下半閥臂。Sl和S2為空氣開關(guān)，電阻R和電抗L構(gòu)為功率負載 單元。Gl和G2的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，皆為多個SiC IGBT直接串聯(lián)而成。Gl和G2同向 串聯(lián)構(gòu)成被測單元，并與母線電容C并聯(lián)。功率負載單元的一端連接在Gl和G2之間、另一 端分別通過Sl和S