梅　霜,李志剛,姚　芳,張亞玲

(河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 天津　300130)

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·數(shù)理科學(xué)·

IGBT模塊電氣參數(shù)測(cè)試及分析

梅霜,李志剛,姚芳,張亞玲

(河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 天津300130)

針對(duì)不同集電極電流及開關(guān)頻率下的開關(guān)過程設(shè)計(jì)并搭建了IGBT電氣參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)測(cè)錄了IGBT模塊在開關(guān)過程中的電壓、電流波形,對(duì)電壓、電流波形進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到IGBT模塊的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗;根據(jù)對(duì)IGBT模塊的開關(guān)損耗進(jìn)行分析,得到IGBT模塊的開關(guān)損耗在隨著集電極電流和開關(guān)頻率變化的規(guī)律。

IGBT模塊;開關(guān)波形;開通時(shí)間;關(guān)斷時(shí)間;開通損耗;關(guān)斷損耗

在新能源領(lǐng)域上,絕緣柵型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是應(yīng)用非常廣泛的器件。IGBT模塊電氣參數(shù)測(cè)試有助于了解IGBT的性能,便于使用。本文主要研究的電氣參數(shù)有開通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間、開通損耗和關(guān)斷損耗。IGBT模塊是功率器件,長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)產(chǎn)生大量的熱,這不僅會(huì)引起IGBT模塊內(nèi)部物理參數(shù)的改變,影響其正常工作,而且可能會(huì)使IGBT模塊自身的溫升過大,影響其工作壽命,甚至導(dǎo)致失效。包括IGBT在內(nèi)的功率器件發(fā)熱絕大部分是由器件的損耗引起的,功率器件本身對(duì)溫度就比較敏感,在正常運(yùn)行的情況下,由于其自身?yè)p耗引起的溫升,對(duì)器件的可靠性影響很大。了解IGBT開關(guān)損耗情況可為下一步選擇合適的散熱系統(tǒng)、提高系統(tǒng)的可靠性奠定基礎(chǔ)[1-2]。由此可見,對(duì)IGBT的開關(guān)損耗進(jìn)行研究是非常必要的。

學(xué)術(shù)界對(duì)IGBT模塊的開關(guān)損耗進(jìn)行了廣泛而深入的研究, 文獻(xiàn)[3]對(duì)變頻器中的IGBT的電壓、 電流采用與溫度有關(guān)的表達(dá)式進(jìn)行描述, 計(jì)算開關(guān)損耗; 文獻(xiàn)[4]采用對(duì)原有損耗計(jì)算軟件加以修正系數(shù)的方法計(jì)算開關(guān)損耗;文獻(xiàn)[5]對(duì)IGBT開關(guān)過程電壓、電流進(jìn)行分段擬合,利用基于Stateflow工具箱的損耗模型計(jì)算開關(guān)損耗。但是現(xiàn)有IGBT模塊開關(guān)損耗計(jì)算大都是發(fā)生在發(fā)電機(jī)或者逆變器系統(tǒng)中[6-10],這些系統(tǒng)中多個(gè)IGBT串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行,測(cè)量IGBT開關(guān)電壓、電流結(jié)果可能會(huì)相互影響,因此,對(duì)單個(gè)IGBT模塊開通、關(guān)斷過程進(jìn)行測(cè)試,以此獲得開關(guān)損耗也是一項(xiàng)值得研究的內(nèi)容。

本文設(shè)計(jì)測(cè)試IGBT模塊開關(guān)波形的電路,得到IGBT開通、關(guān)斷過程中的集-射集電壓VCE、集電極電流IC的波形;設(shè)計(jì)測(cè)試IGBT開通、關(guān)斷波形的試驗(yàn)方案,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理,計(jì)算IGBT的開關(guān)損耗,并得到開關(guān)損耗隨集電極電流和頻率變化的趨勢(shì)。

1　IGBT電氣參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)IGBT電氣參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的主電路如圖1所示。電路中在直流電源兩側(cè)并聯(lián)兩個(gè)電容C1,C2,得到穩(wěn)定的60V直流電壓。其中,由于電容兩端電壓不能突變,一方面電源并聯(lián)大電容可以通過濾除低頻干擾，使輸出電壓更加平滑、穩(wěn)定;另一方面電源并聯(lián)小電容可以通過濾除高頻波,使輸出電壓純凈。一般情況下并聯(lián)電容容量越小,產(chǎn)生諧振頻率越高,可濾除的干擾頻率也就越高。將大小兩個(gè)電容并聯(lián),以獲得更大的濾波頻段。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取C1為8pF,C2為2 200μF。

其次,為了能夠改變流過IGBT模塊的集電極電流的大小,設(shè)計(jì)多個(gè)繼電器(KT)來控制并入電路的散熱鋁殼電阻數(shù)量,選取R=40Ω,即當(dāng)繼

電器接通個(gè)數(shù)為n時(shí),穩(wěn)態(tài)時(shí)流過IGBT模塊的集電極電流為

(1)

除此之外,還設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路:采用信號(hào)發(fā)生器控制為方波,占空比保持50%,并根據(jù)需要調(diào)節(jié)頻率,采用集成芯片提供門級(jí)開通電壓VG(on)=+15V,關(guān)斷電壓VG(off)=-8V;設(shè)計(jì)負(fù)載控制電路:通過繼電器合閘,達(dá)林頓管起作用,使發(fā)光二極管導(dǎo)通,發(fā)光二極管亮的數(shù)目就是開通的繼電器的數(shù)目;設(shè)計(jì)電氣性能參數(shù)采集電路:試驗(yàn)中使用Aglilent電壓及電流探頭相互配合,同時(shí)監(jiān)測(cè)IGBT模塊的開斷狀態(tài)下的電壓、電流波形,經(jīng)過示波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),得到在不同狀況下,IGBT模塊的開通、關(guān)斷下的電壓、電流動(dòng)態(tài)波形。

圖1　 IGBT模塊電氣參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的主電路Fig.1　The main circuit of IGBT switching loss test system

設(shè)計(jì)IGBT模塊電氣參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)方案如表1所示。試驗(yàn)期間保持環(huán)境溫度20℃。

表1　IGBT模塊電氣參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2　IGBT電氣參數(shù)測(cè)試結(jié)果

本試驗(yàn)采用MMG75SR120B的IGBT模塊進(jìn)行試驗(yàn),得到十六組開通電壓、電流,關(guān)斷電壓、電流的波形，經(jīng)過處理，通過雙Y軸曲線進(jìn)行描述出來,如圖2，3所示為Ic=21A,fsw=10kHz時(shí)，開通和關(guān)斷電壓、電流的波形圖。

圖2　開通時(shí)電壓、電流波形圖Fig.2　Turn-on voltage and current waveform figure

圖3　關(guān)斷時(shí)電壓、電流波形圖Fig.3　Turn-off voltage and current waveform figure

3　IGBT電氣參數(shù)測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)IGBT模塊電氣參數(shù)測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提取每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的開關(guān)特性參數(shù):開通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間、開通損耗和關(guān)斷損耗。

(2)

(3)

其中:Pon為開通損耗,Poff為關(guān)斷損耗,ton為開通時(shí)間,toff為關(guān)斷時(shí)間,Vce為集射極間電壓,IC為集電極電流。

由于實(shí)際測(cè)試所得IGBT開通、關(guān)斷波形與理論波形有一定差距，并且外電路的振蕩特性導(dǎo)致IGBT開關(guān)特性的波動(dòng)性,因此定義此IGBT模塊開通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間如圖3所示。經(jīng)過MATLAB編程獲取每組試驗(yàn)IGBT模塊的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，如圖4所示。

圖4　IGBT模塊開關(guān)時(shí)間三維變化趨勢(shì)圖Fig.4　Switching time of IGBT module three dimensional change trend chart

由圖4可知:IGBT模塊的開通時(shí)間隨著集電極電流和開關(guān)頻率的增大變化不明顯；關(guān)斷時(shí)間隨著集電極電流的增大變化也不明顯,但隨著開關(guān)頻率的增大近似呈線性增長(zhǎng)。

根據(jù)上述式(2)和式(3)得到每次試驗(yàn)的開通損耗和關(guān)斷損耗,并對(duì)其進(jìn)行Matlab數(shù)據(jù)處理,畫出IGBT模塊開通損耗、關(guān)斷損耗隨著開關(guān)頻率和集電極電流的增大而變化的曲線圖，如圖5和圖6所示，曲線上的圓圈代表實(shí)際試驗(yàn)得到的損耗值，采用3次多項(xiàng)式插值對(duì)曲線進(jìn)行插值，獲得的曲線精度高、平滑性好。

圖5　IGBT模塊開通損耗變化趨勢(shì)圖Fig.5　Turn-on loss of IGBT module change trend chart

由圖5可見，在IGBT模塊集電極電流一定的情況下,其開通損耗隨著開關(guān)頻率的增大呈線性增加。在IGBT模塊開關(guān)頻率一定的情況下,其開通損耗亦隨著集電極電流的增大近似呈線性增加。

利用插值的方法可以得到開通損耗的模型

Eon=aonIC+bonf+con。

(4)

式(4)中aon，bon，con分別為開通損耗的系數(shù)，可以通過數(shù)據(jù)擬合得到。

由圖6可見，在IGBT模塊集電極電流一定的情況下,其關(guān)斷損耗隨著開關(guān)頻率的增大都近似呈二次曲線增加;在IGBT模塊開關(guān)頻率一定的情況下,其關(guān)斷損耗亦隨著工作頻率的增大呈線性增加。

利用插值的方法可以得到關(guān)斷損耗的模型為

(5)

式中aoff，boff，coff，doff分別為關(guān)斷損耗的系數(shù)，可以通過數(shù)據(jù)擬合得到。

圖6　IGBT模塊關(guān)斷損耗變化趨勢(shì)圖Fig.6　Turn-off loss of IGBT module change trend chart

4　結(jié)　論

本文設(shè)計(jì)并搭建了IGBT模塊電氣參數(shù)測(cè)試系統(tǒng),通過分析開關(guān)波形獲取了IGBT模塊開通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間、開通損耗、關(guān)斷損耗等電氣參數(shù),并得到以下結(jié)論:

1)IGBT模塊的開通時(shí)間隨著集電極電流和開關(guān)頻率的增大變化不大;關(guān)斷時(shí)間隨著集電極電流的增大變化也不明顯,但隨著開關(guān)頻率的增大近似呈線性增長(zhǎng)。

2)建立IGBT模塊新的損耗模型。在IGBT模塊集電極電流一定的情況下,其開通損耗隨著開關(guān)頻率的增大近似呈線性增加,其關(guān)斷損耗隨著開關(guān)頻率的增大近似呈二次曲線增加;在IGBT模塊開關(guān)頻率一定的情況下,其開通損耗和關(guān)斷損耗都隨著集電極電流的增大呈線性增加。

[1]周志敏, 周紀(jì)海, 紀(jì)愛華. IGBT和IPM及其應(yīng)用電路[M].北京:人民郵電出版社, 2006:23-31.

[2]孫祖勇, 楊飛, 孫遠(yuǎn),等. 風(fēng)電變流器IGBT散熱性能研究[J]. 電力電子技術(shù), 2015,49(1):47-49.

[3]何湘寧, 吳巖松, 羅皓澤, 等. 基于IGBT離線測(cè)試平臺(tái)的功率逆變器損耗準(zhǔn)在線建模方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(6):1-6.

[4]白保東, 陳德志, 王鑫博. 逆變器IGBT損耗計(jì)算及冷卻裝置設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013,28(8):97-106.

[5]MARINOV A, VALCHEV V. Power loss reduction in electronic inverters through IGBT-MOSFET combination[J]. Procedia Earth and Planetary Science, 2009,1(1): 1539-1543.

[6]劉建濤,王治華,王珂. 不同結(jié)構(gòu)電壓源換流器損耗對(duì)比分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2013,41(6):105-110.

[7]陳娜,李鵬,江劍,等. 中高壓IGBT開關(guān)特性的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(2):239-247+254.

[8]BAZZI A M, KREIN P T, KIMBALL J W, et al.IGBT and diode loss estimation under hysteresis switching[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(3):1044-1048.

[9]毛鵬, 謝少軍, 許澤剛. IGBT模塊的開關(guān)暫態(tài)模型及損耗分析[J]. 國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010，15:40-47.

[10] 劉賓禮, 劉德志, 羅毅飛,等. 基于電壓電流的IGBT關(guān)斷機(jī)理與關(guān)斷時(shí)間研究[J]. 物理學(xué)報(bào), 2013, 62(5):392-400.

(編輯李靜)

The test and analysis on switching loss of IGBT module

MEI Shuang, LI Zhi-gang, YAO Fang, ZHANG Ya-ling

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130， China)

According to the performance characteristic of IGBT module, depending on collector current and switching frequency, the test system on electrical parameter of IGBT module was designed and built.Through the experiments, IGBT module′s voltage and current during switching process were monitored. The switching time and loss of IGBT module were earned by dealt with the voltage and current waveforms by the software. On account of the analysis of the switching loss, the change rule of switching loss of IGBT module was obtained that with the increase of collector current and switching frequency.

IGBT module; switching waveform; turn-on time; turn-off time; turn-on time loss; turn-off loss

2015-04-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51377044)；河北省科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(13214303D)

梅霜，女，江蘇徐州人，從事電器可靠性研究。

TM93

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-02-006