一种温控型双脉冲测试平台的设计与应用

王爱玲

（济宁职业技术学院，山东 济宁 272037）

1 双脉冲测试概述

IGBT是电力电子设备中的核心部件，一方面其工作特性直接决定了设备的工作性能，另一方面其驱动设计好坏对自身工作具有至关重要的影响[1,2]。双脉冲测试被广泛应用于大功率IGBT模块的驱动设计及开关特性分析[3,4]。其测试电路如图1所示，包括直流电源VDC、负载电感以及一组IGBT桥臂。通过对桥臂下管施加连续的两个驱动脉冲实现开关特性测试，其中第一个脉冲用于建立工作电流和测试关断特性，第二个脉冲用于测试开通特性及二极管的反向恢复[5]。

图1 双脉冲测试电路图

双脉冲测试的主要用途包括以下4各方面。一是对比不同的IGBT的参数，如同一品牌不同系列产品的参数，或者是不同品牌的IGBT的性能。二是获取IGBT开关过程中的主要参数，以评估驱动电路和驱动电阻数值是否合适评估、是否需要配吸收电路等。三是考量IGBT在变换器中工作时的表现，如二极管的反向恢复电流是否合适、关断电压尖峰是否合适以及开关过程中是否有震荡等，四是计算IGBT开关损耗。

已有的关于双脉冲测试的研究报道主要集中在该测试方法的原理、设计与实现，却鲜有文献报道双脉冲测试平台的设计，特别是考虑温度影响之后，如何实现在可调节的温度下进行双脉冲测试实验[6]。为此，本文提出了一种温控型双脉冲测试平台的设计，可实现高达150 ℃的IGBT双脉冲测试，以获得器件在高温环境下的开关特性及开关损耗等。IGBT实际运行时，结温也比较高，高温测试对驱动可靠性测试及驱动损耗精确估算有重要意义。

2 负载电感设计

负载电感值选择时需要考虑测试电路特征阻抗和电流建立最小时间两个限制。

根据上述两个限制条件可以给出负载电感的边界值，由于单元中电容值都取得很大，因此测试电路特征阻抗可以忽略不计，考虑最小电流建立时间的影响。负载电感设计需要注意两个问题，一是负载电感需要承受足够的电压，匝间绝缘和层间绝缘要加强。二是实验期望电感量在所测电流范围内都能保持一个相对恒定的数值，采用空芯绕制。

当高度远大于内径时，空心电感设计公式为：

式中，a、b分别表示内径和高度；n为匝数。

负载电感现有两种骨架可供选择，均采用3 mm的丝包线，单层绕制，设计电感值为200 μH，并做对比如表1所示。

表1 电感骨架对比

可以发现，绕制同样感值的电感，骨架I绕制的线圈要比骨架II少很多，因此采用骨架I。实际制作时，采用骨架I绕了74匝，理论电感值为200 μH，实测值为248.7 μH。

3 温控平台设计

温控平台主要用于对IGBT进行高温下的特性测试，要求可以加热到150 ℃进行双脉冲测试，以获得器件在高温环境下的开关特性及开关损耗等。高温测试对单元稳定性的提高有很大帮助。

平台设计包括隔热板、铸铝加热板、温控仪以及可变杂散电感4个主要部件。其中隔热板要求绝缘、绝热、阻燃，平台中采用陶瓷地板。铸铝加热板内置加热管，温度可以加热到150 ℃及以上，平台中采用的加热板温度可以加热到280 ℃。加热板的设计依据主要是IGBT安装孔的数目与位置，以及加热板与温控仪的连接点。温控仪的温度控制精度高（最好有反向PID控制），控制范围可达180 ℃以上。本设计中，温控仪选用了国产的XMTD-8411，配合10 A的国产固态继电器进行加热功率控制。可变杂散电感部分根据不同单元的实测杂散电感值进行杂散电感值的匹配。本设计中，可变杂散电感主要通过导线长度来控制。

4 实验与分析

基于本文的设计方法制作了一个温控型双脉冲测试平台，并完成了CM100DY-34A的实验研究。通过多轮测试得出模块在不同工作温度下的开通能量Eon、关断能量Eoff以及反向恢复能量Err，从而直观地展现温度对IGBT工作特性的影响。

实验中，每一轮的测试步骤如图2所示。测试开始后先确认母线电压、工作温度以及负载电流，接着确认数据采集器是否就绪，然后进行直流母线充电，在完成充电后发出双脉冲，之后转入负载电感放电。最后记录实验数据和波形，进入下一轮测试。实验结果如图3所示。选定25 ℃、80 ℃以及125 ℃共3个工作温度点，分别绘制Eon-Ic曲线、Eoff-Ic曲线以及Err-Ic曲线，结果分别如图3（a）、图3（b）、图3（c）所示。不难发现，温度对IGBT的工作特性影响非常明显。以Err为例，同样100 A的工作电流下，125 ℃时的反向恢复能量为25 ℃下的250%左右。

图2 双脉冲测试顺序

图3 不同温度下的开关能量曲线

5 结 论

本文提出了一种温控型双脉冲测试平台的设计方法，重点给出了负载电感和温控平台的设计思路。最后在CM100DY-34A模块上进行了实验验证，实验结果展现了IGBT工作温度对工作特性的显著影响，这对IGBT特性评估与对比以及损耗估算等均具有较大参考意义。