高压大容量IGBT测试技术探究

石蕊　袁咏歆

摘 要：近年来，IGBT被广泛应用于电力电子行业中，且表现出良好的应用前景。因此，极有必要建立与高压大容量IGBT相匹配的测试平台及与之配套的测试方法。IGBT相关参数包括动态参数、静态参数两种类型。为此，文章主要从动静态参数两个方面讨论IGBT的测试方法。

关键词：IGBT；动态参数；静态参数；测试方法

引言

近年来，大功率电力电子变流技术逐渐受到社会各界的关注，与此同时，IGBT器件等串联技术逐渐成为当今社会研究的重点，以适应高压大容量的应用要求。从测试条件来讲，IGBT参数包括动态参数、静态参数两种类型，其中IGBT动态参数是IGBT开关动作中的相关参数，如上升/下降时间、导通/关断延迟时间等；IGBT静态参数是IGBT固有的参数，如开启电压、门极击穿电压等。IGBT静态参数多且复杂，若参数不同，则测试方法、测试设备也有所差异。当前，IGBT静态参数测试仍以单独参数的测试为主。IGBT动态参数测试平台多以双脉冲测试为技术支撑，即以变换测试电路的工作状态来获得相应的动态特征。结合上述内容，文章主要从动静态参数两个方面浅析高压大容量IGBT测试方法。

1 IGBT静态参数测试方法研究

IGBT静态参数多且复杂，同时不同参数的测试方法也不同。为此，文章仅就下列较为重要的参数的测试方法进行研究。

1.1 门极参数VGES及IGES测试

VGES是门极击穿电压，VGES、IGES的测试流程为：CE短接→VGE每隔0.1V由0V开始上升→采集电流信号→绘制门极击穿曲线→求得击穿时的临界门极电压→确定VGES及IGES。然而，门极漏电流IGES为pA级，因此难以保障采集结果的准确度。鉴于此，本测试仅判断是否击穿器件门极，具体选用具备GPIB通信功能的2611数字源表。2611数字源表的关键参数为：电压源的最大电压、精度分别为200V、0.02%；电流源的最大电流、精度分别为10A、0.03%；电压、电流的量程与精度分别为200V/0.05%、10A/0.02%。据此可知，2611数字源表能为VGES与IGES测试提供精度较高的电压源、电流源及测量结果。

1.2 门极参数VGE（th）测试

VG（th）是开启电压，具体测试步骤为：IGBT GC端短接→将一个可调型电压源接入CE端→电压源每隔0.01V由0V开始上升，直至电流表所测到的电流Ic值与限定值吻合→确定门极电压与开启阀值相符，注意此电流阀值由器件固有的技术规格而定（100～200mA）。VGE（th）测试所用的测试设备与VGES相同。

1.3 功率端参数VCES及ICES测试

功率端参数VCES是集电极发射极间耐压；ICES是集电极发射极间漏电流，VCES、ICES的测试流程为：IGBT CE端短接→电压源以阶梯形式升至击穿的临界状态→以限流电阻R来限制回路的最大可通行电流，以防IGBT击穿损坏器件。限流电阻R满足下列函数式：R=VCES /[（1-10）Ic /106]，式中R的取值由被测器件的额定电流而定。VCES、ICES测试所用的测试设备为高压源SR15-X-1200、数字万用表DMM4050。

1.4 Cies、Coes及Cres测试

输入电容测试是测量IGBT接入偏置电压时的寄生型输入电容Cies。输入电容Cies满足下列函数式：Cies=Cge+Cgc。据此可知，在测量时，需将IGBT集-射极之间寄生电容Cce的作用排除，即将一个电容（1uF）并联在集-射极之间来屏蔽Cce。Cce的容值相当小（<10nF），并联后的容值为1nF左右，此时再与IGBT的内部电容Cge串联起来，以屏蔽1nF电容。在栅射极之间加入10M电阻，以发挥虚短路的作用，从而维持IGBT的稳定状态。在电源与IGBT发射极、集电极之间加入1M电阻，以免电源对电路测量产生不利影响。在LCR栅极与电桥之间加入1uF电容，以免在仪器设备上直接接入直流电压，从而确保测量的高精准度及设备的安全性。输出电容Coes、转移电容Cres的测试原理与输入电容Cies相同，文章不做过多阐释。

2 IGBT动态参数测量方法研究

与静态参数测量相比，IGBT动态参数测量的方法较为简单，多采用双脉冲测试，注意此测试方法对测试装置及后期数据的处理要求相当高。此外，测试电路对寄生电感的要求非常小，但对电压与电流的采样及相对延时的要求却相当高，以确保测试参数的高准确度。

2.1 双脉冲测试

双脉冲测试所用的电路为感性负载的测试电路。双脉冲测试具有驱动信号包含两个脉冲的特点，两个脉冲的作用如下：第一个脉冲是确保流经器件的电流与测试所需的电流值相符；第二个脉冲是检测被测器件的开通波形，注意两个脉冲之间间隔的时间不宜过长或过短，具体在10～30us之间，详见图1。

如图1所示，双脉冲测试正式开始之前，母线电容需先预充电，以使母线电压与测试所需电压相吻合；t0时，驱动脉冲出现→IGBT导通→母线电容对电感充电→电感电流上升；t1时，流经器件的电流升至测试所需的电流值→第一个脉冲结束→IGBT关断→电感电流经二极管续流；t2时，第二个脉冲出现→IGBT再次导通→器件的开通测试结束；t3时，第二个脉冲结束→IGBT关断→电感电流经二极管续流衰减至0→测试完毕。

2.2 IGBT动态测试平台的相关技术

本IGBT动态测试平台包含当前市面上全部中高压模块或器件的动态测试、串联型高压模块的动态测试要求。据此可知，母线的最高电压需到6.5kV，而电流测试能力预计≥800A。因此，在动态测试中，IGBT动态测试的瞬时能量源自母排电容，从而保障测试的安全性。在不同电压等级的测试下，可对电容的选择进行优化，即按当前中高压IGBT器件的容量分类对母线电容的选择进行优化。在IGBT动态测试中，首先采用预充电法完成母线电容的充电，以方便后续的双脉冲测试，注意在充电时，应考虑到第一个脉冲在电容上引起的电压下跌问题。LGBT动态测试平台要求在测试不同电压及电流下器件开关的动态特征时，应以器件的正常工作为前提，因此就电压功率等级不同的IGBT模块来讲，电压与电流的测量范围应分别设定为：20%x额定电流～100%x额定电流、20%x额定电压～65%x额定电压。母线电容与负载电感的量值会对母线电容的电压下跌量及电感电流的上升率产生影响，因此在双脉冲测试时，母线电容应先完成电感充电，即电容分别与电感、母线电压的下跌量呈负相关。但须注意，当电感过小时，高压小电流所需的测试电流充电时间也相当短，因此不易控制。

3 结束语

当前，IGBT动静态参数的公共测试平台仍处在国外厂家垄断的状态，而国内对IGBT测试的相关研究尚处在起步阶段，因此需建立一套高压大容量功率的半导体器件公共测试平台，以促进国内大功率电力电子器件的健康发展。

参考文献

[1]魏晓光，王新颖，高冲，等.用于直流电网的高压大容量DC/DC变换器拓扑研究[J].中国电机工程学报，2014，S1：218-224.

[2]陈国平，郭文科.阀岛技术在高压大容量试验室的应用[J].自动化仪表，2015，1：33-36.

[3]王晓宇，张涛，操丰梅，等.用于抑制SSR的高压大容量低频电流发生器的研究与实现[J].电力自动化设备，2014，3：113-119.

[4]邓隐北，刘铭，徐壮.水冷大容量高压变频器“FRENIC4800VM5”[J].电源世界，2014，1：28-32.

[5]欧阳旭东，彭程，胡广振，等.高压大容量静止同步补偿器功率开关器件选用分析[J].电力系统自动化，2013，2：113-118.