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1.1 短路測試

1.1.1 短路測試的目的及方法

在電力電子系統(tǒng)開發(fā)過程中，短路測試是必須要進行的一個關(guān)鍵測試項目，這是因為短路在實際應(yīng)用中極有可能發(fā)生，而且一旦發(fā)生短路時，系統(tǒng)能夠可靠保護。另一方面，短路時HVIGBT模塊承受的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力及其所產(chǎn)生的能量是非常巨大的，因此，通常大家把短路情況視為系統(tǒng)最惡劣的運行狀況之一。對HVIGBT模塊的短路測試和分析能夠提高HVIGBT模塊應(yīng)用的可靠性。

在短路發(fā)生時，短路故障需被檢出，并在HVIGBT模塊允許的短路耐量時間內(nèi)關(guān)斷，這個時間一般是10us。

圖6.21 短路測試電路

圖6.21給出了橋臂直通短路的測試電路。電路搭建和測試過程的注意事項：

1) 注意短接上臂銅排的長度和寬度，因為會影響短路回路的雜散電感和測量結(jié)果；

2) 電容的能量需要能夠支持短路所需要的能量，在實驗前后確認電容上的電壓是否發(fā)生明顯變化；

3) 上臂的HVIGBT是必須的，因為在下臂HVIGBT關(guān)斷后，電流需要經(jīng)過上臂反并聯(lián)二極管續(xù)流；

4) 連接模塊端子處的螺釘需要擰緊并牢固可靠，因為短路時能量會產(chǎn)生一定的沖力，如果連接處斷開，則被測模塊會發(fā)生失效；

5) 估算電路中的雜散電感，并預(yù)估在短路關(guān)斷時是否會超過模塊的額定耐壓值；

6) 確認測試時的環(huán)境溫度在模塊的規(guī)格書要求之內(nèi)。

7) 同時監(jiān)控V_CE，V_GE和I_C波形。

進行測試時，可以考慮以下建議：

1) 首先調(diào)試弱電信號，確認HVIGBT動作的時間和預(yù)定時間一致；

2) 在較低母線電壓情況下，比如50V以下，并控制短路時間(10us以內(nèi))進行短路測試，以確認整個電路功工作正常；之后再升高母線電壓進行測試。

1.1.2 HVIGBT的短路模式及波形分析

不同的短路模式其波形是不一樣的，因此針對不同的短路模式其檢測方法也有多種，下面先對短路電路的模式加以介紹。目前業(yè)內(nèi)將HVIGBT的短路方式一般歸納為三類。

1.1.2.1 短路模式一：橋臂直通短路

這種情況的短路發(fā)生在變流器端，接錯線或者外部因素導致的橋臂內(nèi)發(fā)生直通短路，電流直接流過橋臂內(nèi)HVIGBT，其模擬電路及波形如圖6.22和圖6.23。

短路狀態(tài)描述：P側(cè)的HVIGBT短路，然后開通N側(cè)的HVIGBT，則短路電流經(jīng)過N側(cè)的HVIGBT，從P側(cè)流向N側(cè)。短路時候的負載非常小，僅為線路本身的電感以及HVIGBT的內(nèi)阻。電流的上升率di/dt取決于HVIGBT的硅片特性以及R_g(on), 關(guān)斷時刻的dv/dt則取決于HVIGBT的硅片特性以及R_g(off)。

圖6.22 橋臂直通短路測試電路

測試條件(CM1500HC-66R, T_j=150°C, V_CC=2500V, V_GE=15V, R_g(off)=10W, L_load≈100nH)

圖6.23 橋臂直通短路波形

圖6.23給出了三菱電機CM1500HC-66R的短路實測波形。值得注意的是圖中短路的脈沖寬度為20us，但是在實際應(yīng)用中需要保護電路在短路發(fā)生后10us之內(nèi)關(guān)斷HVIGBT模塊。

從圖6.23可以看出，門極驅(qū)動波形是正常的。在HVIGBT模塊發(fā)生短路時，由于HVIGBT模塊的C-E電壓的dv/dt變化非常大，因此會和C-G之間的米勒電容一起產(chǎn)生相應(yīng)的位移電流，從而抬升模塊的柵極電壓，進而使得短路電流變大。

對于短路電流，起始處電流會達到最大值，之后會由于結(jié)溫的上升而減小。

對于圖6.23中電壓曲線，在HVIGBT關(guān)斷時，由于di/dt和電路中的雜散電感，會產(chǎn)生一個電壓尖峰。對于此值，一方面尖峰電壓不能超過模塊的額定電壓值；另一方面，電壓和電流對應(yīng)的曲線需要落在模塊的短路安全工作區(qū)內(nèi)。

1.1.2.2 短路模式二：負載短路

這種短路模式多發(fā)生在負載端，例如負載短路，那么短路電流會迅速上升，但是由于連接負載的導線上還有一定的電感，導致電流的上升率要小于橋臂直通短路，而電流上升率的大小和回路里的負載電感大小有關(guān)，存在不確定性。短路發(fā)生的時刻是在設(shè)備啟動的時刻，即短路電流是從零開始的。

這種短路的模擬電路和測試波形如圖6.24和圖6.25 所示。

短路狀態(tài)描述如下：P側(cè)的HVIGBT關(guān)斷，然后開通N側(cè)的HVIGBT，則短路電流通過負載電感L以及N側(cè)的HVIGBT從P側(cè)流向N側(cè)。負載的大小和電流的上升率di/dt主要取決于L。

圖6.24 負載短路測試電路

測試條件：(CM750HG-130R, V_CC=3000V, R_g(on)=3.9Ω, R_g(off)=33 Ω, t_sc=10us, T_j=125℃, L_load=5.4uH)

圖6.25 負載短路測試波形

如果短路時回路電感很大，電流在短時間沒有到達短路電路的保護值，而又大于正常工作的電流，那么會造成HVIGBT長時間工作在大電流狀態(tài)，容易造成過熱損壞。

1.1.2.3 短路模式三：運行中橋臂短路

這種橋臂短路發(fā)生在變流器帶載運行的過程中，即發(fā)生短路的時刻HVIGBT處于工作狀態(tài)，內(nèi)部有電流流過，短路時刻的起點電流不是零。

這種短路的測試電路、邏輯信號和測試波形分別如圖6.26、圖6.27和圖6.28所示。

圖6.26 運行中橋臂短路測試電路

圖6.27 運行中橋臂短路的邏輯信號

從以上幾類短路中我們都能看到，短路時候的電流都會非常大，根據(jù)不同的HVIGBT芯片特性，有的短路電流甚至達到額定電流10倍以上，因此對于系統(tǒng)來說必須迅速檢測到短路，并在10us內(nèi)將發(fā)生短路的HVIGBT關(guān)掉，從而保證系統(tǒng)安全。

在實際的短路試驗過程中，還需要注意以下幾點：

a) 關(guān)斷過程中，V_CE瞬間電壓必須通過HVIGBT的輔助集電極和輔助發(fā)射極測量。

b) 兩次短路試驗之間應(yīng)該留有足夠長的時間，使得T_j恢復到試驗需要的溫度。

c) 為了限制短路試驗關(guān)斷時電壓尖峰，可以使用專門的技術(shù)減小短路關(guān)斷時的di/dt，例如增加關(guān)斷電阻R_G(off)或者門極有源鉗位。

測試條件(CM1000HG-130XA, V_CC=4200V, R_g(on)=1.8Ω, R_g(off)=30Ω, T_j=125℃, t_sc=9.5us, Ls1=510nH, Ls2=4200nH, L=600uH, with ZDi15V between G and aux E)

圖6.28 運行中橋臂短路的測試波形

1.2 溫升測試

溫升是與模塊的損耗和熱阻相關(guān)的。損耗可以通過計算或者仿真來得到，進而進行散熱方面的設(shè)計，如散熱器的材料、形狀和大小等。但是，最終的評判還是需要通過實測來確認。

對于HVIGBT模塊來說，實際應(yīng)用中需要考慮的溫度規(guī)格包含兩個：存儲溫度和工作溫度。這里要講的是工作溫度，主要考慮的就是規(guī)格書上約定的結(jié)溫。需要強調(diào)的是，對于實際應(yīng)用中HVIGBT，需要評估其運行結(jié)溫(T_jop)和最大結(jié)溫(T_jmax)。簡單來講，運行結(jié)溫就是在可重復較長時間運行情況下需要保持的溫度值；最大結(jié)溫是指在任何情況下，HVIGBT都不運行超過的溫度值。

對于溫度的測試，可以根據(jù)6.1.1.4中描述的儀器來選擇合適的測試方法來評定模塊的溫度。如果采用熱電偶和溫度記錄儀來測量溫度，則需要根據(jù)規(guī)格書的約定來選取合適的測溫點。比如，對于三菱電機R系列HVIGBT模塊，需要測量的溫度點是硅片的正下方。之后，通過計算來獲得結(jié)溫，并對結(jié)溫運行的可行性進行評估。

另外一種溫升測量方法，便是采用熱成像儀來直接測量模塊的結(jié)溫。優(yōu)點是簡單、直接、明了。采用熱成像儀時，需要注意的是必需將模塊外殼打開，并在去除模塊內(nèi)部的硅膠后將模塊內(nèi)部涂黑，以獲得準確的測量結(jié)果。

HVIGBT的短路與溫升測試

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