干货|如何评估IGBT模块在系统中的损耗

2017-05-24

概要

进行逆变器设计时，IGBT模块的开关损耗评估是很重要的一个环节。而常见的损耗评估方法都是采用数据手册中IGBT或者Diode的开关损耗的典型值，这种方法缺乏一定的准确性。本文介绍了一种采用逆变器系统的驱动板和母排对IGBT模块进行损耗测试和评估的方法，通过简单的操作即可得到更精确的损耗评估。

数据手册的典型值为什么不够准确

一般数据手册中，都会给出特定条件下，IGBT及Diode开关损耗的典型值。一般来讲这个值在实际设计中并不能直接拿来用。在英飞凌模块数据手册中，我们可以看到，开关损耗典型值前面，有相当多的限制条件，这些条件描述了典型值测试平台。而实际设计的系统是不可能和规格书测试平台一模一样的。两者之间的差异，主要体现在如下几个方面：

  • IGBT的开关损耗不仅仅依赖于驱动电阻，也依赖于驱动环路的电感，而实际用户系统的驱动环路电感常常不同于数据手册的测试平台的驱动环路电感[1]。
  • 驱动中加入栅极和发射极电容是很常见的改善EMC特性的设计方法，而使用该栅极电容会影响IGBT的开关过程中电流变化率dIc / dt和电压变化率dVce / dt，从而影响IGBT的开关损耗[2]。
  • 实际系统的驱动电压也常常不同于数据手册中的测试驱动电压，在IGBT模块的数据手册中，开关损耗通常在±15V的栅极电压下测量，而用户的驱动电压有时也并非这个电压数值。
  • 数据手册通常会在较小的母排杂散电感下进行开关损耗测试，而实际系统的母排或者PCB的布局常常会存在比较大的杂散电感[3]。

采用系统的驱动和母排测试IGBT开关损耗

正因为实际系统的母排、驱动与数据手册的标准测试平台的母排、驱动存在着差异，才导致了直接采用数据手册的开关损耗进行实际系统的损耗评估存在着一定的误差。一种改善的方式是直接采用实际系统的母排和驱动来进行双脉冲测试，IGBT模块可以固定在一个加热平台上，而加热平台能够调节到150℃并保持恒温。

图1给出了双脉冲的测试原理图，图2给出了双脉冲测试时的波形图，典型的双脉冲测试可以按照图1和图2 进行，同时需要注意将加热平台调整到一定的温度，并等待一定时间，确保IGBT的结温也到达设定温度。

图1-1: IGBT的双脉冲测试原理图

Igbt Double pulse Test Schematic Diagram
Igbt Double pulse Test Schematic Diagram
Igbt Double pulse Test Schematic Diagram

图1-2: Diode的双脉冲测试原理图

Diode Double Pulse Test Schematic Diagram
Diode Double Pulse Test Schematic Diagram
Diode Double Pulse Test Schematic Diagram

图2-1: IGBT的双脉冲测试波形图

Double Pulse Test Waveform Of Igbt
Double Pulse Test Waveform Of Igbt
Double Pulse Test Waveform Of Igbt

图2-2:Diode的双脉冲测试波形图

Diodez Double Pulse Test Waveform Diagram
Diodez Double Pulse Test Waveform Diagram
Diodez Double Pulse Test Waveform Diagram

图3给出了双脉冲测试过程中，IGBT的开通过程和关断过程的波形。损耗可以通过CE电压和导通电流的乘积后的积分来获得。需要注意的是电压探头和电流探头需要匹配延时，否则会引起比较大的测试误差。在用于数据手册的测试平台中，常见的电流探头是PEARSON探头，而实际系统的母排中，很难装入PEARSON探头，更多的采用Rogowski-coil。需要注意的是Rogowski-coil 的延时会比较大，而且当电流变化率超过3600 A/μs时，Rogowski-coil 会有比较明显的误差。关于测试探头和延时匹配也可同仪器厂家确认。

图3-1 IGBT关断过程

Igbt Turn Off Process
Igbt Turn Off Process
Igbt Turn Off Process

图3-2 IGBT开通过程

DUT：FF600R12ME4;   CH2（绿色）- VGE， CH 3（蓝色）- ce，CH4（红色）- Ic

Igbt Commissioning Process
Igbt Commissioning Process
Igbt Commissioning Process

系统中IGBT开关损耗的评估方法

首先固定电压和温度，在不同的电流下测试IGBT的开关损耗，可以得出损耗随电流变化的曲线，并且对曲线进行拟合，可以得到损耗的表达式。该系统的直流母线电压最小为540V，最高为700V。而系统的IGBT的结温的设计在125℃和150℃之间。分别在540V和700V母线电压，及125℃和150℃结温下重复上述测试，可以得到一系列曲线，如图4所示

图4：在不同的电流输入条件下，以电压和温度为给定条件的IGBT的开关损耗曲线

switching loss curve igbt
switching loss curve igbt
switching loss curve igbt

依据图4给出的损耗测试曲线，可以依据线性等效的方法得到IGBT的开通损耗和关断损耗在电流，电压，结温下的推导公式。

Derivation Formula Lgbt Turn On Off Loss
Derivation Formula Lgbt Turn On Off Loss
Derivation Formula Lgbt Turn On Off Loss

同理也可以得到Diode在给定系统的电压，电流，结温设计范围内的反向恢复损耗的推导公式： 45.png

derivation formula diode reverse recovery loss
derivation formula diode reverse recovery loss
derivation formula diode reverse recovery loss

图5：在不同的电流输入条件下，以电压和温度为给定条件的Diode反向恢复损耗曲线

Diode Reverse Recovery Loss Curve
Diode Reverse Recovery Loss Curve
Diode Reverse Recovery Loss Curve
改善建议

虽然这里介绍的方法相对于采用IGBT数据手册的开关损耗典型值提供了一些改进，但仍存在一些缺点，比如在非常低的电流时，损耗会有一定的误差，这可以通过采用非线性模型或多级的电流线性模型来优化。

结论

通过采用实际系统的驱动和母排进行双脉冲测试，在系统设计的电压，电流和温度范围内，可以得到比采用数据手册的典型值更准确的损耗评估。

参考文献

[1]Infineon - AN2003-03 - Switching behavior and optimal driving of IGBT3 modules

[2]Infineon - AN - Effect of Gate-Emitter Capacitor CGE

[3]M.Bäßler: “On the loss-softness trade-off:Are different chip versions needed for softness-improvement?”; PCIM 2009,Nuremberg