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1、双脉冲实验1. 双脉冲实验概述通过双脉冲实验可以观察IGBT在开通、关断过程中是否有不合适的震荡， 评估二极管的反向恢复行为和安全裕量以及确定有源钳位电路的工作点，保证其 在极限工况下可靠工作，在额定工况下可持续工作。双脉冲实验的基本原理 实验电路如下图1a所示。Q,DLoVD2D2(a)图1双脉冲实验电路(a)及各关键点波形(b)图1a中Q 1、Q2为IGBT模块，型号是FS800R07A2E3，开关管Q2栅极施加负 压保持关断状态，Q栅极施加由DSP提供的双脉冲波形，调节脉冲宽度T、T和 112T可以调节电流I、I的大小。D和D为开关管内部并联二极管。L为测试用3C1 L0120空心、电感
2、，大小为25uH。C为母线端薄膜电容，本次实验为了能确保大电流输 出，电容量取2000uF。Us为直流电源，用于调节母线电压。图1a中所标各关键点电压和电流波形如图1b所示。其中，七为开关管 的双脉冲驱动信号，I为Q集电极电流，V为Q集-射电压，I为并联二极管C1 1CE1 1D2D的电流，V为二极管正向电压，I为电感L电流。2D2L00在实际电路中由于漏感及寄生电容的存在，开关切换时波形中会有电压及电 流尖峰，主要表现为：在t及t时刻，Q关断，电压V存在漏感电压尖峰；241CE1:在t3时刻，Q逐渐导通，D逐渐关断，电流、存在反向恢复电流尖峰， 电压vd2存在漏感电压尖峰。以上两点需要通过双
3、脉冲实验进行验证，确保电压、电流应力不超过开关管 安全工作区。栅极有源钳位电路图1a中关断时，集-射极会承受直流母线电压Us与漏感尖峰的叠加，负 载电流越大，尖峰越高，为了保护开关管，驱动电路中加入下图2所示的有源钳 位电路。TVS珥+ C图2开关管有源钳位电路图2中TVS管的型号为P6SMB510A，门限电压七为485535V，当高 于Vtvsth时，TVS击穿并流过电流I皿岳，该电流一方面拉低Vce电压，另一方面抬 高开关关管栅极电压从而减缓Q的关断速度，降低Vce电压。有源钳位电路需要保 证逆变器在过载甚至短路时能够可靠抑制vce电压，同时又要保证该电路在逆变 器额定工作区中能够持续工作
4、，这主要考虑到TVS击穿时有与Vce成正比的电流 1皿岳流过，长时间工作会导致TVS过热，所以双脉冲实验另一个目的是验证逆 变器可持续工作区的选取是否合适。综上所述，本次双脉冲实验的目的为：1）验证极限工况下IGBT集-射电压Vcemax是否在额定范围之内；2）IGBT并联二极管关断时的应力是否在额定范围之内；3）逆变器可持续工作区的确定。】2. 极限工况下IGBT集-射电压Vce_max测试目的评价有源钳位电路的工作效果，IGBT在极限电压电流条件下关断时，其集- 射电压电压尖峰要低于最大可承受电压，根据IGBT规格书，该电压值为650V。 测试电路如图3所示：图3极限工况测试电路（Q1为被
5、测对象，Q表示电流探头位置）测试条件输入电压V.=425V集电极电流Ic=1100A （两倍额定电流）测试结果579V测试波形如下图4所示。Hin(Cl)Hax(CZ)Hin(CZ)9.1 例 Z50OOOU 13.1Z50U -aizsoou15：33：47= 1Stopped4Hax(C4J 554.1E7AHin(C4J -4.1EEE7ACHI QjeWMIlu DC RILL 1fl;1 s.flfi u&i” DC Z0HHXcm ioort：iue.iwwdiv DCFiTi nMi*iB-rnr i_a idh Ncrna Ijzeeiis/s 狷guv图4极限工况下IGBT集
6、-射电压（C1：七，C2：栅极驱动Vge，C4：集电极电流I。）3. IGBT并联二极管关断g测试目的当桥臂中的一个IGBT逐渐开通时，流过该IGBT的电流逐渐增大，同时另一个IGBT的并联二极管电流Id逐渐减小，由于它的反向恢复特性，该二极管会承 受较大的电压及电流应力，该项测试是为了评价该过程中二极管是否工作在安全 区域内。测试电路如图5所示。U图5 IGBT并联二极管关断测试（Q2为被测对象，Q表示电流探头位置）测试条件输入电压V. ： 450V测试电流I ：D分别取 50A、150A、250A、375A、550A、714A、825A、962A、1100A。测试结果表1所示为450V输入
7、下的测试结果。其中，通道C1为IGBT端电压（黄），C2为IGBT栅极驱动（绿），C3为二极管电压匕（红），C4为二极管电流七（蓝）。表1二级管关断时两端电压V以及最大反向恢复电流I枷(1.riJjiTciT11 iKkvzivW H趴一通州nuuxi，17-35-03=16# UzTlIV3 I&*-1 irilevzi iu-伽倒MIbCOP T 底gK Z4HH2 Mt 妇 B. 1kU.- iv K 2MU TUnWTTT 24.4 * d i * ami50A150A80AVVI DI D130V， I160V， I、ID = 250AISMzLS I7-Z7 nID = 375AM
8、l w-i O.IOOkvHM k rvii CtU 14 I 5.w SC 241X2 CH3 glK 24WzCJH- WW：j 54.0 AAilW KCHI LWl 0.1Q4SdH加K rviiCH2 10 IS.W Vrii*BC 241X2CH9 *-i .1 翊 W&isKlUJilCl F tlciKClU Hu2h m心* 3H*.W6?V 14_h2SMi -It 11训痴&尚 UlnCCll lt:顷 HI Mini-4.1M7V IZ?_6HWtlMClUtiu2：hlimbi14-hlSM* g荆痴X(C3J nintcii HlKCCJ ning。，炉MWl?3_
9、?bW4R庆即V = 160V， II、550A片DV = 160V, II、714A片DIlSzMzL L7-56j9-Clll LO=1K F4I1CHZ 14 1 反.的 il/riiw K 的 CH3 b6 1 吼1阀MMSC ZWIzLH41S!WKIlSMzL LB M-EBs !_CHI L0#=l 。.: K F4I1 CHZ LB I 或的O-divK 蹄IH CH3 LM 1SC Zl2lhSlSSjWK 2MUiGxiCiTHiiHCM rtdx 心 |i m心*SSnltGd汹旬Hirai ttintcai tu*.顷 HI Mini41m.saiA牯，庆即rEiRiT
10、tliiKOJ山血亡|.1Q4SdH加 K rvll CH2 10 I 5.WCH9 g.1 翊 W&isKCJH- WW：J 。.:IWIdviH 事表1（续）二级管关断时两端电压V 以及最大反向恢复电流I二 130V, I二 150V, I表1（续）二级管关断时两端电压VDoff以及最大反向恢复电流IrrID = 1100A顷Fmi w-i 4.SC Z4ltlzCH3S.1kV.riV!K 24Wz痴k顷Hln(G35 -4.1M7V5心 J 5fa2_hWtlcIKClU E flKKJU 他对住。IL田的 1伸垓，-/MS神V110V， I图6所示为IGBT安全工作区，对比表1的测试
11、结果，二极管关断过程中的 电压、电流没有超出安全工作区。0100200300400500600Vce/V图6 IGBT安全工作区及450V输入下的二极管关断应力（位于阴影部分内）4. 逆变器可持续工作区的确定测试目的IGBT持续工作时需要确保有源钳位电路不工作或温升不超过最高温度，且 该电路是否工作取决于输入电压Vin以及IGBT关断时电流Ic，Vin越高，IGBT流 过持续电流Ic的能力就越低，这是因为较高的Ic会产生较高的关断电压尖峰， 该尖峰会触发有源钳位电路工作，如果尖峰较高，钳位电路的工作电流就会很大， 由此产生较高的温升。该项测试是为了找出逆变器可持续工作的母线电压及负载 电流。测
12、试条件输入电压V:in250V、 275V、 300V、 325V、 350V、 375V、 400V、 425V 和 450V；测试电流I:c_off在以上各个电压下逐渐增加IGBT关断电流直到关断电压尖峰达到有源钳位 电路中TVS门限电压。根据TVS规格书，其门限电压 匕顼为485535V，此时 TVS工作电流为1mA。测试结果如下表2所示。表2达到TVS门限电压时的V.和I 以及I =550A时TVS电压VVin/Vc off/A Vtvsth=485Vinc_offc_ooff/A Vtvsth=535VfVtvs/V/ I 8 =550A c off25065888245827558
13、8790479300475;682500325383650520350304500537375225416558400182334570425123260583!45072200587结合表2与图6可得下所示Vin与Icoff关系曲线以及IGBT安全区，曲线1 及曲线2下方代表逆变器可持续工作区。项图7 Vin与Icoff关系曲线（曲线1及曲线2）以及IGBT安全区TVS持续工作时损耗及温升的评估在实际电路中，很难通过实测得到TVSX作时的电流，所以此处只能根据规 格书对损耗及温升进行估算。根据TVS规格书，TVS工作时，电流最大不超过， 当TVS两端钳位电压为535V时，其损耗及温升计算过程
14、为：相电流频率f =-p-e60 Nrpm其中，%为电机极对数，取4； Ng为转速，取9000rpm。TVS工作时相电流持续时间为：At = 2* 4 f earcsinp_bIk pk p)2兀fe上式中Ipbr为TVS开始工作时所对应的相电流根据表2所示，最恶劣的工况 为V=450V, I=200A，所以I可取200A； I为相电流峰值，由工况决定，inc_offp_brpk_p这里取550A。TVS 损耗：P=At * f * I * V* T* ftvs _ losss tvs _ br tvs _ br tvs _ bre式中Vtvs址为TVS门限电压，取535V；Ttvs址为TVS工作时间，通过测量得100ns。TVS 温升：AT = P , *R其中Rtvsja为TVS热阻，为277W/C（焊盘大小3X3mm）.最终计算得TVS损耗为，温升C.根据规格书，TVS 工作电压为485535V时，其工作电流会在1mA附近，小 于以上计算时所取的，所以，TVS实际温升会远低于C.逆变器可持续工作区可取图7中的曲线2的下方。
