HVIGBT的短路与温升测试-产品新闻-新闻-中自数字移动传媒

1.1 短路测试

1.1.1 短路测试的目的及方法

在电力电子系统开发过程中，短路测试是必须要进行的一个关键测试项目，这是因为短路在实际应用中极有可能发生，而且一旦发生短路时，系统能够可靠保护。另一方面，短路时HVIGBT模块承受的电压应力和电流应力及其所产生的能量是非常巨大的，因此，通常大家把短路情况视为系统最恶劣的运行状况之一。对HVIGBT模块的短路测试和分析能够提高HVIGBT模块应用的可靠性。

在短路发生时，短路故障需被检出，并在HVIGBT模块允许的短路耐量时间内关断，这个时间一般是10us。

图6.21 短路测试电路

图6.21给出了桥臂直通短路的测试电路。电路搭建和测试过程的注意事项：

1) 注意短接上臂铜排的长度和宽度，因为会影响短路回路的杂散电感和测量结果；

2) 电容的能量需要能够支持短路所需要的能量，在实验前后确认电容上的电压是否发生明显变化；

3) 上臂的HVIGBT是必须的，因为在下臂HVIGBT关断后，电流需要经过上臂反并联二极管续流；

4) 连接模块端子处的螺钉需要拧紧并牢固可靠，因为短路时能量会产生一定的冲力，如果连接处断开，则被测模块会发生失效；

5) 估算电路中的杂散电感，并预估在短路关断时是否会超过模块的额定耐压值；

6) 确认测试时的环境温度在模块的规格书要求之内。

7) 同时监控V_CE，V_GE和I_C波形。

进行测试时，可以考虑以下建议：

1) 首先调试弱电信号，确认HVIGBT动作的时间和预定时间一致；

2) 在较低母线电压情况下，比如50V以下，并控制短路时间(10us以内)进行短路测试，以确认整个电路功工作正常；之后再升高母线电压进行测试。

1.1.2 HVIGBT的短路模式及波形分析

不同的短路模式其波形是不一样的，因此针对不同的短路模式其检测方法也有多种，下面先对短路电路的模式加以介绍。目前业内将HVIGBT的短路方式一般归纳为三类。

1.1.2.1 短路模式一：桥臂直通短路

这种情况的短路发生在变流器端，接错线或者外部因素导致的桥臂内发生直通短路，电流直接流过桥臂内HVIGBT，其模拟电路及波形如图6.22和图6.23。

短路状态描述：P侧的HVIGBT短路，然后开通N侧的HVIGBT，则短路电流经过N侧的HVIGBT，从P侧流向N侧。短路时候的负载非常小，仅为线路本身的电感以及HVIGBT的内阻。电流的上升率di/dt取决于HVIGBT的硅片特性以及R_g(on), 关断时刻的dv/dt则取决于HVIGBT的硅片特性以及R_g(off)。

图6.22 桥臂直通短路测试电路

测试条件(CM1500HC-66R, T_j=150°C, V_CC=2500V, V_GE=15V, R_g(off)=10W, L_load≈100nH)

图6.23 桥臂直通短路波形

图6.23给出了三菱电机CM1500HC-66R的短路实测波形。值得注意的是图中短路的脉冲宽度为20us，但是在实际应用中需要保护电路在短路发生后10us之内关断HVIGBT模块。

从图6.23可以看出，门极驱动波形是正常的。在HVIGBT模块发生短路时，由于HVIGBT模块的C-E电压的dv/dt变化非常大，因此会和C-G之间的米勒电容一起产生相应的位移电流，从而抬升模块的栅极电压，进而使得短路电流变大。

对于短路电流，起始处电流会达到最大值，之后会由于结温的上升而减小。

对于图6.23中电压曲线，在HVIGBT关断时，由于di/dt和电路中的杂散电感，会产生一个电压尖峰。对于此值，一方面尖峰电压不能超过模块的额定电压值；另一方面，电压和电流对应的曲线需要落在模块的短路安全工作区内。

1.1.2.2 短路模式二：负载短路

这种短路模式多发生在负载端，例如负载短路，那么短路电流会迅速上升，但是由于连接负载的导线上还有一定的电感，导致电流的上升率要小于桥臂直通短路，而电流上升率的大小和回路里的负载电感大小有关，存在不确定性。短路发生的时刻是在设备启动的时刻，即短路电流是从零开始的。

这种短路的模拟电路和测试波形如图6.24和图6.25 所示。

短路状态描述如下：P侧的HVIGBT关断，然后开通N侧的HVIGBT，则短路电流通过负载电感L以及N侧的HVIGBT从P侧流向N侧。负载的大小和电流的上升率di/dt主要取决于L。

图6.24 负载短路测试电路

测试条件：(CM750HG-130R, V_CC=3000V, R_g(on)=3.9Ω, R_g(off)=33 Ω, t_sc=10us, T_j=125℃, L_load=5.4uH)

图6.25 负载短路测试波形

如果短路时回路电感很大，电流在短时间没有到达短路电路的保护值，而又大于正常工作的电流，那么会造成HVIGBT长时间工作在大电流状态，容易造成过热损坏。

1.1.2.3 短路模式三：运行中桥臂短路

这种桥臂短路发生在变流器带载运行的过程中，即发生短路的时刻HVIGBT处于工作状态，内部有电流流过，短路时刻的起点电流不是零。

这种短路的测试电路、逻辑信号和测试波形分别如图6.26、图6.27和图6.28所示。

图6.26 运行中桥臂短路测试电路

图6.27 运行中桥臂短路的逻辑信号

从以上几类短路中我们都能看到，短路时候的电流都会非常大，根据不同的HVIGBT芯片特性，有的短路电流甚至达到额定电流10倍以上，因此对于系统来说必须迅速检测到短路，并在10us内将发生短路的HVIGBT关掉，从而保证系统安全。

在实际的短路试验过程中，还需要注意以下几点：

a) 关断过程中，V_CE瞬间电压必须通过HVIGBT的辅助集电极和辅助发射极测量。

b) 两次短路试验之间应该留有足够长的时间，使得T_j恢复到试验需要的温度。

c) 为了限制短路试验关断时电压尖峰，可以使用专门的技术减小短路关断时的di/dt，例如增加关断电阻R_G(off)或者门极有源钳位。

测试条件(CM1000HG-130XA, V_CC=4200V, R_g(on)=1.8Ω, R_g(off)=30Ω, T_j=125℃, t_sc=9.5us, Ls1=510nH, Ls2=4200nH, L=600uH, with ZDi15V between G and aux E)

图6.28 运行中桥臂短路的测试波形

1.2 温升测试

温升是与模块的损耗和热阻相关的。损耗可以通过计算或者仿真来得到，进而进行散热方面的设计，如散热器的材料、形状和大小等。但是，最终的评判还是需要通过实测来确认。

对于HVIGBT模块来说，实际应用中需要考虑的温度规格包含两个：存储温度和工作温度。这里要讲的是工作温度，主要考虑的就是规格书上约定的结温。需要强调的是，对于实际应用中HVIGBT，需要评估其运行结温(T_jop)和最大结温(T_jmax)。简单来讲，运行结温就是在可重复较长时间运行情况下需要保持的温度值；最大结温是指在任何情况下，HVIGBT都不运行超过的温度值。

对于温度的测试，可以根据6.1.1.4中描述的仪器来选择合适的测试方法来评定模块的温度。如果采用热电偶和温度记录仪来测量温度，则需要根据规格书的约定来选取合适的测温点。比如，对于三菱电机R系列HVIGBT模块，需要测量的温度点是硅片的正下方。之后，通过计算来获得结温，并对结温运行的可行性进行评估。

另外一种温升测量方法，便是采用热成像仪来直接测量模块的结温。优点是简单、直接、明了。采用热成像仪时，需要注意的是必需将模块外壳打开，并在去除模块内部的硅胶后将模块内部涂黑，以获得准确的测量结果。

HVIGBT的短路与温升测试

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