电动汽车IGBT模块的双脉冲测试方法

唐云飞，李国庆，任 钢

（南京越博动力系统股份有限公司，江苏 南京 210019）

IGBT模块作为电动汽车电机控制器核心功率零部件，在动力锂电池直流电逆变成电机所用三相交流电起到了关键作用，因此选用合适的IGBT模块对电动汽车至关重要。双脉冲试验是检测IGBT模块参数的重要方法，它能够实现以下功能：①能够评估IGBT驱动板的功能和性能；②获取IGBT模块在开通、关断过程的主要参数，以评估Rgon和Rgoff的数值是否合适；③对比不同IGBT模块的参数；④开通关断过程中是否有不合适的震荡；⑤测量母排杂散电感Lσ。

1 试验平台的搭建

1.1 双脉冲测试基本电路

如图1所示，电动汽车常用的单个IGBT模块由VT1和VT2组成半桥电路。在测试过程中，首先用直流高压电源对电容进行充电，然后对VT1的门极给定电压－8 V，使VT1保持关断状态，对VT2的门极施加上图1所示的Uge+15 V双脉冲信号，使整个半桥电路实现开通1、关断1、开通2、关断2过程，重点测量关断1、开通2中的波形数据，对比测试IGBT模块的数据手册，分析出IGBT模块及其驱动电路的开关特性。

图1 双脉冲测试基本电路

本次双脉冲测试的IGBT模块为Vincotech系列A0－VS122pa450M7－L758F70型号，该模块集电极－发射极电压Uce最大为1 200 V，集电极最大连续电流450 A，栅极－发射极电压Uge范围为±20 V （超过此电压会导致栅极－发射极SiO2绝缘损坏或者可靠性下降，12 V、10 V等过低的门极电压会导致集电极过大的损耗导致元件损坏）。测试使用的驱动电路基于1ED020I12－FA2单通道隔离驱动芯片设计，正电压控制采用数据手册推荐的+15 V，为了防止0 V关断过程中可能出现的寄生开通问题，设置负电压控制为－8 V。

1.2 双脉冲试验设备

试验所用的仪器如图2所示。包括ITECH高压直流电源（1 000 V／20 A／6 kW）、泰克数字示波器MDO3024、一个泰克高压差分探头 （±1 500 V）、一个泰克低压差分探头 （±100 V）、PEM罗氏线圈CWTMini 15B（量程3 kA，电流变化率25 kA／μs）、泰克任意波形发生器AFG3102C。其中高压差分探头用于测量集电极－发射极Uce，低压差分探头测量栅极－发射极Uge，罗氏线圈测试发射极电流Ic。

1.3 双脉冲信号的产生

试验中通过电脑连接泰克任意波形发生器AFG3021C，打开软件编辑上位机界面中需要的双脉冲波形，调节脉冲发生周期为120 s，脉冲次数为1次，触发延迟10 s。此方式产生的脉冲用于模拟CPLD（EPM570T100A）产生的脉冲信号。通过上述方法产生的双脉冲波形如图3所示。

图2 双脉冲试验设备

图3 双脉冲测试波形

在双脉冲测试前需要对任意波形发生器发出的脉冲Uge进行测量，使波形幅值和脉宽达到测试要求以免IGBT模块在测试过程中出现过流或者过压导致损坏。从图4Uge波形可以看出双脉冲的上升沿和下降沿都有延迟现象，原因是当驱动板焊接到IGBT模块上时，不可避免地会存在寄生电感，且寄生电感与栅极电阻串联，再加上IGBT模块本身存在的寄生电容，寄生电感、电容的充放电导致了双脉冲波形的延迟，驱动板栅极电阻的大小决定了上升沿和下降沿的斜率。

图4 Uge测量波形

1.4 双脉冲测试波形分析

用示波器验证双脉冲测试波形无误后，高压电源设置电容两端电压Udc=540 V，任意波形发生器触发设置好的双脉冲信号，待IGBT模块发出开关响声或示波器采集到波形后立即关闭高压电源和任意波形发生器。示波器放大后可以观测采集到图5双脉冲测试波形。

图5 双脉冲测试波形

图6 为开通过程1。在t0时刻，VT2门极发出第1个脉冲，VT2饱和导通，VT1截止关断，直流电压Udc加在空心电感L上，罗氏线圈测得的电流Ic线性上升，电流的表达式为：

当Udc和L确定时，电流与时间成线性关系，为了控制输出电流Ic＜Icrm，所以要严格控制脉冲的时间。根据上述公式和示波器曲线可以验证空心电感L的大小是否与LCR电桥测的一致。

图6 开通过程1

图7 为关断过程1。在t1时刻，当下管VT2关断时，由于换流通路中杂散电感Lσ的存在，对IGBT的开关特性存在明显的影响，会使集电极－发射极电压出现过冲ΔUce。

为了防止损坏IGBT，就必须保证Uce．max低于IGBT的阻断电压Uces。

图7 关断过程1

在t1时刻，IGBT模块VT2截止关断，在t0开通阶段存储在空心电感上的能量全部通过二极管D1续流缓慢释放。在t2时刻VT2再次饱和导通，Ic随Uce的上升逐渐增加，当IGBT的电流Ic超过二极管续流电流IF时，空心电感的感应电动势使续流二极管反向截止。因为存在反向恢复特性，续流二极管的电流不能直接变为0，这时电感中的电流除了通过续流二极管续流外还有一部分反向电流叠加在Ic上，使图7中Ic在t2时刻后出现上翘，所以导致了反向恢复电流尖峰。

在t2时刻，IGBT模块开通过程如图8所示。在IGBT模块VT2开通后，栅极-集电极Uge开始上升。在图8开通过程2时间t4处，Uge上升到阈值电压Uge（to），这时集电极电流Ic开始上升。集电极电流的上升产生了电流变化率dic／dt，同时由于换流通路中的杂散电感，导致集电极-发射极电压Uce迅速下降，即

在t3时刻，测量的波形与t1时刻相似，在此不做分析。

图8 开通过程2

1.5 基本参数的测量

结合图5双脉冲测试波形和图6开通关断数据，测出Vincotech IGBT模块在t1关断和t2开通时刻开通延迟td（on）、上升时间tr、关断时间td（off）、下降时间tf等基本参数。如图9所示。

示波器可以跟踪并记录Uce（t）和Ic（t）的数值，然后利用上述数学公式分别对开通和关断2个变量Uce（t）、Ic（t）相乘进行积分，积分结果的值就是开通能量Eon和损耗能量Eoff。图10为开通关断损耗，图11为开通损耗，图12为关断损耗。

图9 开通关断数据

图10 开通关断损耗

图11 开通损耗

图12 关断损耗

通过示波器的测量和计算可以求出IGBT的基本参数（25℃），见表1。

2 结论

通过双脉冲测试方法对电动汽车Vincotech系列A0-VS122pa450M7-L758F70型号的IGBT模块及其驱动电路的开通和关断过程进行了测试。通过试验可以发现，驱动电路能够十分可靠地打开和关断IGBT模块，开通关断过程中无不合适的震荡，开通关断过程中基本参数及损耗和数据手册差值不大，能够满足基本使用要求。同时结合示波器测试结果对IGBT模块开关过程进行了介绍，另外也对一些曲线关键点进行了原理分析。