如何評估IGBT模塊在系統(tǒng)中的損耗?

進行逆變器設計時，IGBT模塊的開關損耗評估是很重要的一個環(huán)節(jié)。而常見的損耗評估方法都是采用數(shù)據(jù)手冊中IGBT或者Diode的開關損耗的典型值，這種方法缺乏一定的準確性。本文介紹了一種采用逆變器系統(tǒng)的驅(qū)動板和母排對IGBT模塊進行損耗測試和評估的方法，通過簡單的操作即可得到更精確的損耗評估。

一般數(shù)據(jù)手冊中，都會給出特定條件下，IGBT及Diode開關損耗的典型值。一般來講這個值在實際設計中并不能直接拿來用。在英飛凌模塊數(shù)據(jù)手冊中，我們可以看到，開關損耗典型值前面，有相當多的限制條件，這些條件描述了典型值測試平臺。而實際設計的系統(tǒng)是不可能和規(guī)格書測試平臺一模一樣的。兩者之間的差異，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

• IGBT的開關損耗不僅僅依賴于驅(qū)動電阻，也依賴于驅(qū)動環(huán)路的電感，而實際用戶系統(tǒng)的驅(qū)動環(huán)路電感常常不同于數(shù)據(jù)手冊的測試平臺的驅(qū)動環(huán)路電感。

• 驅(qū)動中加入柵極和發(fā)射極電容是很常見的改善EMC特性的設計方法，而使用該柵極電容會影響IGBT的開關過程中電流變化率dIc / dt和電壓變化率dVce / dt，從而影響IGBT的開關損耗

• 實際系統(tǒng)的驅(qū)動電壓也常常不同于數(shù)據(jù)手冊中的測試驅(qū)動電壓，在IGBT模塊的數(shù)據(jù)手冊中，開關損耗通常在±15V的柵極電壓下測量，而用戶的驅(qū)動電壓有時也并非這個電壓數(shù)值。

• 數(shù)據(jù)手冊通常會在較小的母排雜散電感下進行開關損耗測試，而實際系統(tǒng)的母排或者PCB的布局常常會存在比較大的雜散電感。

正因為實際系統(tǒng)的母排、驅(qū)動與數(shù)據(jù)手冊的標準測試平臺的母排、驅(qū)動存在著差異，才導致了直接采用數(shù)據(jù)手冊的開關損耗進行實際系統(tǒng)的損耗評估存在著一定的誤差。一種改善的方式是直接采用實際系統(tǒng)的母排和驅(qū)動來進行雙脈沖測試，IGBT模塊可以固定在一個加熱平臺上，而加熱平臺能夠調(diào)節(jié)到150℃并保持恒溫。

圖1給出了雙脈沖的測試原理圖，圖2給出了雙脈沖測試時的波形圖，典型的雙脈沖測試可以按照圖1和圖2 進行，同時需要注意將加熱平臺調(diào)整到一定的溫度，并等待一定時間，確保IGBT的結溫也到達設定溫度。

圖3給出了雙脈沖測試過程中，IGBT的開通過程和關斷過程的波形。損耗可以通過CE電壓和導通電流的乘積后的積分來獲得。需要注意的是電壓探頭和電流探頭需要匹配延時，否則會引起比較大的測試誤差。在用于數(shù)據(jù)手冊的測試平臺中，常見的電流探頭是PEARSON探頭，而實際系統(tǒng)的母排中，很難裝入PEARSON探頭，更多的采用Rogowski-coil。需要注意的是Rogowski-coil 的延時會比較大，而且當電流變化率超過3600 A/μs時，Rogowski-coil 會有比較明顯的誤差。關于測試探頭和延時匹配也可同儀器廠家確認。

DUT：FF600R12ME4; CH2（綠色）- VGE，CH 3（藍色）- ce，CH4（紅色）- Ic

首先固定電壓和溫度，在不同的電流下測試IGBT的開關損耗，可以得出損耗隨電流變化的曲線，并且對曲線進行擬合，可以得到損耗的表達式。該系統(tǒng)的直流母線電壓最小為540V，最高為700V。而系統(tǒng)的IGBT的結溫的設計在125℃和150℃之間。分別在540V和700V母線電壓，及125℃和150℃結溫下重復上述測試，可以得到一系列曲線，如圖4所示。

依據(jù)圖4給出的損耗測試曲線，可以依據(jù)線性等效的方法得到IGBT的開通損耗和關斷損耗在電流，電壓，結溫下的推導公式。

同理也可以得到Diode在給定系統(tǒng)的電壓，電流，結溫設計范圍內(nèi)的反向恢復損耗的推導公式：

雖然這里介紹的方法相對于采用IGBT數(shù)據(jù)手冊的開關損耗典型值提供了一些改進，但仍存在一些缺點，比如在非常低的電流時，損耗會有一定的誤差，這可以通過采用非線性模型或多級的電流線性模型來優(yōu)化。

通過采用實際系統(tǒng)的驅(qū)動和母排進行雙脈沖測試，在系統(tǒng)設計的電壓，電流和溫度范圍內(nèi)，可以得到比采用數(shù)據(jù)手冊的典型值更準確的損耗評估。(英飛凌igbt廠家)