第43讲：HVIGBT的测试方法

来源:三菱电机半导体发布时间:2021-10-221266浏览

讲座概述

本系列讲座旨在分享功率半导体的原理和相关应用知识，已发布的第1-30讲主要介绍了功率半导体的基础知识。从第31讲起为大家介绍HVIGBT的一系列相关知识，以帮助读者全面了解HVIGBT的工作原理、特性和正确应用方法。

1.1 HVIGBT测试通用注意事项

对于大容量电力电子系统来说，HVIGBT模块是其应用的最关键器件之一。对HVIGBT进行充分的测试是判断HVIGBT应用正确与否的手段。
对于HVIGBT测试而言，选择合适的仪器和正确的测试方法是是获得准确可信的测试结果的重要保证。测试仪器的选择主要是包含电压、电流测量仪器和数据记录设备等方面。
1.1.1 测试仪器在选用HVIGBT模块之前，一般会对HVIGBT的特性进行测试，以了解模块的性能并判断其是否合适。而在HVIGBT模块安装到系统之后，还需要对模块进行性能测试，以确认HVIGBT模块的规格参数能够满足系统的设计需求。
表6.1给出了评价项目和测试仪器一览表。
表6.1 测试项目及相关仪器一览

对于模块的静态参数，一般都有曲线图示仪等用于测试，而且操作程序也是标准的。但是对于动态测试，比如HVIGBT的开关，对应的开关过程中都有相应的瞬态过程，因此仪器的选取和仪器的性能指标对最终的测试结果也会有较大的影响。
1.1.1.1 示波器选择示波器的种类和性能多种多样，因而选取合适的示波器对于避免波形失真而获取准确的测量结果是非常重要的。
在选择示波器时，首要考虑的因素是示波器的带宽。而对于示波器的带宽来说，存在以下公式：

式中，F-3dB是-3dB衰减对应的频率，Tr是被测波形的上升时间。
对于一个测试波形，其上升时间一般定义为10%的幅值上升到90%的幅值，如图6.1所示。

图6.1 波形上升时间的定义
目前数字示波器已经在市场上获得了广泛的推广和应用，这是由于其简单易用，而且具有强大的计算功能。对于数字示波器带宽的选择，一般来说示波器的带宽应该在被测信号频率的5倍以上，这样才能够保证测试波形的准确度。如果对于上升时间特别关注的话，还是需要应用上面描述的公式进行计算而进行恰当的选择。另外，对于数字示波器，还需要关注Y轴的分辨率，以保证所测试波形幅值的准确性。对于Y轴的显示精度是受其分辨率决定的，单位是“字节”。因此，在需要根据测试的波形的幅值来选取合适的示波器。
1.1.1.2 电压探头选择和选取示波器一样，所选择探头的带宽也要满足被测信号的上升时间。探头带宽的选择原理和示波器一样，这里不再赘述。
由于探头和示波器是有寄生参数的，而在实际应用中，这些参数，尤其是寄生电容，对被测信号的结果是有影响的。

图6.2 测量电路的等效电路
图6.2给出了探头和示波器连接到信号源上后的等效电路。其中R1和C1是被测信号的等效电阻和电容，而R2和C2代表了示波器或探头的寄生电阻和电容。
对于RC滤波器的上升时间Tr定义为

对于图6.2等效电路中的R和C分别为

从式6.2和式6.3可以看出，信号源的电阻和示波器的寄生电容对被测信号的最终结果影响非常大。因此，需要根据被测信号的性质，来选择合适的探头。表6.2给出了选择建议。
表6.2 探头选取建议

对于HVIGBT的模块评价或者在系统中进行评价时，通常用标准的低压探头来测量栅极驱动信号，以评价驱动电压幅值是否满足推荐值，以及是否有噪声干扰等信号；而对于VCE(peak)的测量用于评价电压应力是否在规格书之内，可以考虑采用高压差分探头或者标准的高压探头，选取时除了考虑带宽之外，还需要考虑探头额定耐压值。
1.1.1.3 电流测量仪器在双脉冲测试平台对HVIGBT模块进行评价时，可以考虑采用电流互感器或柔性电流探头来测量HVIGBT开关时的电流。在选取时，主要的关注点是探头的量程，尤其是考虑短路时的最大电流。一般地，测量HVIGBT短路时，电流探头的量程需要在HVIGBT模块额定电流的10倍左右。另外，在使用直流电流或者低频交流探头时，比如柔性探头，需要注意测量延时补偿。
1.1.1.4 温度测量仪器温度的测量方式主要有两种，一种是接触式的，一种是非接触式的。接触式的测量是将感温元件直接置于被测温度场或者与被测物接触。这种测量方法比较简单而且精度高。常用的就是用热电偶作为测温元件，并采用相应的温度记录仪来读取结果，如Graphtec的GL220。
1.1.2 测试点的选择1.1.2.1 电压测试点的选取

图6.3 三相变流器拓扑
图6.3给出了三相变流器拓扑。从图中可以看出，在变流器应用中，HVIGBT会由于母线电压的存在而承受电压，尤其是在关断过程中还会存在着由于电路杂散电感和di/dt引起的电压尖峰。在实际应用中，施加在HVIGBT模块上的电压尖峰是不允许超过其额定值。

图6.4 HVIGBT模块等效电路
图6.4给出了HVIGBT模块的等效电路。从图中可以看出，HVIGBT模块内部也是有杂散电感的，因而当电路中的di/dt变化时，模块内部的杂散电感也会产生相应的电压尖峰施加到HVIGBT硅片上面。模块主功率端子和硅片上电压尖峰的关系如式6.4所示。

其中Vchip是硅片上的电压值，通常HVIGBT模块的额定电压指的是硅片的耐压值；Vmod是HVIGBT模块主功率端子上测量的电压值；Lmod是HVIGBT模块内部的杂散电感。
在器件规格书中，定义的额定电压是硅片的额定值，因此在实际测量中，要进行评估的也是硅片上产生的电压尖峰。从式6.4可以看出，由于模块内部杂散电感的存在，硅片上的电压会比主功率端子上面的电压高，因此，在实际测量中，避免直接选择主功率端子上的电压来进行评估。对于HVIGBT模块，可以选择辅助的C和E端子进行电压尖峰的测量。如图6.5中所示。

图6.5 CM1200HG-90R的端子排布
1.1.2.2 温度测试点的选取

(a) HVIGBT模块安装剖面图

(b) 等效热阻

图6.6 HVIGBT的等效热阻模型
对于HVIGBT模块来说，温度也是其应用约束的一个条件。在规格书中，同时规定了运行结温和最大结温。与温度相关的是模块在应用中产生的损耗和模块本身的热阻。图6.6给出了HVIGBT模块在系统中运行的等效热阻模型。其中Rth(j-c)是指模块结-壳热阻，Rth(c-f)是壳-散热器热阻，Rth(f-a)是散热器-空气热阻，Tj是HVIGBT模块的结温，Tc是HVIGBT模块的壳温，Tf是硅片正下方的散热器温度，Ta是环境温度。从图中可以看出，和模块直接相关的参数是Rth(j-c)和Rth(c-f)，而这两个热阻在规格书中都会给出，但是热阻定义在不同厂商可能有所不同。目前，通常的做法是定义硅片正下方为热阻定义点。相应地，在模块的实际温度测试中，也要选取硅片正下方为温度测试点，然后再利用功率损耗和模块的热阻来计算模块的结温，用于确定模块的选型是否能够满足实际系统的应用，如式6.5所示。

式中P(IGBT/FWDi）是IGBT硅片或者二极管硅片的损耗。
1.1.3 负载的选择对于HVIGBT模块来说，系统评价是最终确认模块选型是否合适。但是在系统评价之前，一般都会进行模块性能测试。其中最为常用的方法是进行双脉冲测试，并且使模块电流达到额定电流值。由于在HVIGBT模块饱和导通时，母线电压施加到电感上，因此电感电流线性上升，如式6.6所示。

式中，IL为电感电流，即为开通时HVIGBT的电流，Vcc为母线电压，t为HVIGBT开通时间，L为负载电感。
相应地，电感值的计算可以提供下式来确定。

式中，IC为HVIGBT模块的电流。
因此，负载电感可以通过式6.7来选择。
另外，对于有些HVIGBT模块来说，要求的最小导通时间需要在10us以上。这一点，在选取电感时需要注意。
1.1.4 测试平台的搭建

图6.7 HVIGBT模块测试平台
图6.7给出了一个HVIGBT测试平台的电路框图。从图中可以看出，测试平台包含有示波器、直流电源、电压探头、电流探头、信号发生器等测试仪器，以及由高压直流电源、变压器直流电容、复合母排和负载电感等构成的测试设备。表6.3列出了测试仪器及设备的清单和生产商，以供在搭建测试平台时参考。
表6.3 实验平台测试仪器及设备清单

图6.8 HVIGBT测试实验平台原理框图
图6.8给出了HVIGBT的测试实验平台原理框图。在选取设备时有一下几点需要考虑：
1) 目前的HVIGBT的最高额定电压达到6500V，因此选择了Glassman的8kV的直流电源；

2) 直流母线电容选择比较大，其中额定值4.5mF/2800V的电容用于1700V/2500V/3300V HVIGBT的测量，额定值1mF/5000V的电容用于4500V/6500V HVIGBT的测量。母线电容选择较大的原因，是为了当母线电容电压充电达到额定值时，可以断开电容与直流电源的连接。以避免发生故障时，直流电源持续为电容供电，造成更大的损坏。从而保证了人身和设备的安全；
3) 增加放电电阻，包括快速放电和慢速放电。其中，快速放电能够迅速放掉母线上面的电荷，保证操作的安全性和高效率；而慢速放电电阻一直并联在母线电容两侧，可以保证在实验结束后，直流母线电荷能够泄放掉，以保证安全；
4) 加热装置可以测试不同温度下的实验数据，使得测试结果更切合实际应用；
5) 电流测试设备的选择，可以选择电流传感器或者柔性探头。但是在使用柔性探头时，需要校准时间延时；
6) 选用隔离的直流电源；
7) 示波器、信号发生器和直流电源的220V输入需要和电网通过变压器隔离，以满足绝缘安全要求；
8) 直流母排的设计采用层叠结构，以最大化降低杂散电感。并在设计时考虑两种HVIGBT的封装，比如190mm*140mm和130mm*140mm。

1.2 HVIGBT静态参数的测试方法

HVIGBT的静态参数中，应用中关注最多的两个参数是饱和压降VCE(sat)和漏电流ICES。这是因为饱和压降会影响到模块的功率损耗，进而影响到系统的散热设计，而且在HVIGBT应用的大功率系统中，由于开关频率较低，这一性能更为重要。而对于ICES，这一性能是和模块本身的耐压和绝缘设计相关，也是需要重点关注的一个参数。
对于这两个参数来说，可以通过曲线图示仪(curve tracer)来测量。曲线图示仪可以选择由美国泰克和日本的岩崎生产的。对于日本岩崎生产的曲线图示仪，可以根据模块的耐压来选择不同型号的，比如Iwatsu CS-3300可以测量耐压在3000V以下的模块，而CS-10800可以测量耐压在12kV以下的模块。
1.2.1 VCE(sat)测试以Iwatsu CS-3300测试仪器为例，测量CM800DZB-34N(800A/1700V HVIGBT)的饱和压降。之所以选择CS-3300，是因为其良好的操作界面。首先通过设置“configuration”来选定需要测量的电路，如图6.10所示。然后根据图中显示的电路配置进行连线，包含主端子和检测辅助端子。