工業變頻器研發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和反并聯二極管損耗的重要參數。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伏左右的低值，為了消除測量時示波器內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，此外為保證在規定的結溫下，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穩定狀態為止所發生的損耗。開關損耗與直流側電壓、集電極電流、門極電壓及驅動電阻都有關系。因此，試驗測量開關損耗時必須注意上述試驗條件。開關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開關損耗的實測波形。

(a) 開通損耗 (b) 關斷損耗

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

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

（2）驅動電路評價試驗

在門極驅動電路設計中，驅動電壓、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動電壓瞬間波形。由于采用了正負雙電源的供電模式，可以看出：導通時電壓值為+15V左右，關斷時電壓值為-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：①在關斷時，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安全工作區的規定之內②在短路時，保護電路的動作時間不能超過短路耐量。相關的評價試驗包括關斷安全工作區確認試驗和短路試驗。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 安全工作區確認試驗實測波形

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事先調整示波器的靈敏度，調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的工作結溫必須始終保持在Tjmax以下。要達到這樣的要求，需要進行精確的損耗計算，進而設計優良的散熱系統。散熱性能的評價主要是溫度試驗。當然溫度試驗并不完全是為IGBT而準備的，變頻器中其他元器件同樣需要進行溫度試驗，包括電解電容、變壓器、接觸器及驅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溫不超過最大值。