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HVIGBT的短路与温升测试

发布日期:2021-11-04 浏览次数:1057 来源:三菱电机半导体作者:网络
 

 

1.1 短路测试

1.1.1 短路测试的目的及方法

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VCE,VGE和IC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Rg(on), 关断时刻的dv/dt则取决于HVIGBT的硅片特性以及Rg(off)


图6.22 桥臂直通短路测试电路


测试条件(CM1500HC-66R, Tj=150°C, VCC=2500V, VGE=15V, Rg(off)=10W, Lload≈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, VCC=3000V, Rg(on)=3.9Ω, Rg(off)=33 Ω, tsc=10us, Tj=125℃, Lload=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,VCE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Tj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RG(off)或者门极有源钳位。


测试条件(CM1000HG-130XA, VCC=4200V, Rg(on)=1.8Ω, Rg(off)=30Ω, Tj=125℃, tsc=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(Tjop)和最大结温(Tjmax)。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。
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