結(jié)溫Tj測(cè)試評(píng)價(jià)
DIPIPM™結(jié)溫Tj是DIPIPM™整機(jī)評(píng)價(jià)中最基本也是最重要的指標(biāo)。由于大部分DIPIPM™本質(zhì)上是一種基于硅材料的IGBT功率半導(dǎo)體器件，其所能承載的電流受到最高結(jié)溫Tj的限制，通常Tj工作時(shí)不應(yīng)超過150℃，如下表5的規(guī)格所示。如果超過，則會(huì)導(dǎo)致IGBT芯片因過熱發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞，因此需要對(duì)DIPIPM™的結(jié)溫Tj溫升進(jìn)行評(píng)價(jià)測(cè)試。
表5 SLIMDIP-L為例的DIPIPM™最大額定參數(shù)
DIPIPM™結(jié)溫Tj測(cè)試需要DIPIPM™廠家專門制作帶熱電偶的樣品來測(cè)試。普通的DIPIPM™產(chǎn)品無法完成結(jié)溫Tj的直接測(cè)試。圖6是以SLIMDIP-L為例的帶熱電偶的樣品，熱電偶被直接安裝在V相N側(cè)的IGBT銅框架附近，該點(diǎn)溫度近似等于模塊結(jié)溫Tj。將該模塊安裝到整機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，就可以采用溫度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試了。需要提醒的是，由于熱電偶連接在模塊的V相N側(cè)的IGBT銅框架上，該點(diǎn)的電位與PCB線路板的母線電容N端子是等電位的，其與整機(jī)的機(jī)殼存在電位差，因此熱電偶的引出裸露部分不能與整機(jī)機(jī)殼接觸，否則會(huì)有損壞DIPIPM™模塊的風(fēng)險(xiǎn)。圖7是在實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)中，對(duì)DIPIPM™采用帶熱電偶的樣品進(jìn)行測(cè)試的實(shí)際圖片及溫度顯示圖片。需要注意的是在實(shí)際測(cè)試過程中，一定要保證整機(jī)在最大負(fù)荷下（環(huán)境溫度最高､輸出電流最大､輸入電源電壓最低等）進(jìn)行測(cè)試，對(duì)溫度表進(jìn)行讀數(shù)時(shí)，溫度顯示穩(wěn)定后，讀取最高的溫度作為DIPIPM™的結(jié)溫Tj。為了保證DIPIPM™的溫度在實(shí)際工作中處于可控范圍，并考慮一定的裕量，通常建議Tj≤125℃。如果測(cè)試結(jié)果Tj過低（如Tj≤100℃），說明DIPIPM™模塊裕量偏大，模塊可以選用更小規(guī)格的散熱器，如果Tj過高（如Tj≥140℃），則說明模塊裕量不足，需要加大DIPIPM™散熱或限制DIPIPM™工作電流。
圖6 SLIMDIP-L為例的帶熱電偶樣品
圖7 溫度測(cè)試儀及溫度顯示圖片
短路測(cè)試評(píng)價(jià)
短路是整機(jī)運(yùn)行過程中較容易發(fā)生的故障，也是造成DIPIPM™市場(chǎng)損壞的主要原因之一。DIPIPM™本身是可以承受一定時(shí)間短路的，這個(gè)可以承受的短路時(shí)間和短路電流可以用短路安全工作區(qū)（SCSOA）來描述。下圖8是以15A/600V SLIMDIP-L為例的短路安全工作區(qū)。短路安全工作區(qū)的橫坐標(biāo)是時(shí)間，即允許DIPIPM™短路的時(shí)間，縱坐標(biāo)是電流，即發(fā)生短路時(shí)，DIPIPM™上流過的短路電流，實(shí)際工作中發(fā)生短路時(shí)，只要其短路時(shí)間和短路電流在短路安全工作區(qū)矩形框內(nèi)，DIPIPM™可以承受，不會(huì)發(fā)生損壞。需要注意的是，DIPIPM™對(duì)短路承受的次數(shù)是有限的，頻繁的短路可能會(huì)造成DIPIPM™損壞。
圖8 SLIMDIP-L短路安全工作區(qū)
在裝入整機(jī)后，需要對(duì)整機(jī)的短路進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)，以保證整機(jī)運(yùn)行過程中即使發(fā)生短路，DIPIPM™短路保護(hù)可以有效地動(dòng)作，保證DIPIPM™承受的電流和短路時(shí)間在其安全工作區(qū)內(nèi)。下圖9是一種常見整機(jī)短路的測(cè)試示意圖。測(cè)試過程中，首先在整機(jī)上電開機(jī)前把PCB板U､V､W采用短路線進(jìn)行短接，再用示波器監(jiān)控輸出電流IO和DIPIPM™輸入PWM信號(hào)和DIPIPM™故障輸出信號(hào)FO，整機(jī)開機(jī)運(yùn)行，示波器設(shè)置FO信號(hào)作為觸發(fā)源捕捉短路保護(hù)過程中的電流､控制信號(hào)及故障輸出信號(hào)FO波形。看電流波形及其持續(xù)時(shí)間是否符合DIPIPM™的短路安全工作區(qū)（SCSOA）要求。如圖10測(cè)試波形所示。
圖10 SLIMDIP-L短路測(cè)試波形例
圖11 短路保護(hù)時(shí)間測(cè)試波形例
母線浪涌電壓測(cè)試評(píng)價(jià)
DIPIPM™所能承受的電壓是有一定限度的。例如對(duì)于應(yīng)用于單相220VAC供電的DIPIPM™通常耐壓為600V，對(duì)于三相供電的變頻裝置來說，選擇的是1200V耐壓的DIPIPM™模塊。在整機(jī)測(cè)試評(píng)價(jià)過程中，需要測(cè)試評(píng)價(jià)DIPIPM™在短路和正常運(yùn)行過程中，其浪涌電壓不超過規(guī)格值。下表6是以SLIMDIP-L為例的DIPIPM™耐電壓規(guī)格，其中VCES是SLIMDIP-L內(nèi)部IGBT所能承受的耐壓；考慮到SLIMDIP-L內(nèi)部走線的寄生電感，在模塊P-NU､NV､NW間最大電壓VCC(浪涌)為500V；考慮到PCB走線的寄生電感，母線供電電壓VCC最大為450V；考慮到發(fā)生短路的情況下，SLIMDIP-L能夠安全關(guān)斷，母線供電電壓VCC(保護(hù))最大為400V。圖12是相關(guān)耐壓的定義。
表6 SLIMDIP-L耐壓規(guī)格
圖12 SLIMDIP-L耐電壓規(guī)格定義
在整機(jī)評(píng)價(jià)過程中，一般不對(duì)VCES參數(shù)評(píng)價(jià)，這個(gè)參數(shù)主要在單體評(píng)價(jià)中進(jìn)行。由于VCC(浪涌)與整機(jī)PCB設(shè)計(jì)密切相關(guān)，因此需要進(jìn)行重點(diǎn)評(píng)價(jià)。其他耐壓參數(shù)的測(cè)試評(píng)價(jià)與VCC(浪涌)評(píng)價(jià)過程基本類似，接下來以VCC(浪涌)測(cè)試評(píng)價(jià)為例對(duì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行介紹。
測(cè)量需要通過示波器進(jìn)行，把示波器電壓探頭的測(cè)試端子與PCB上模塊端子P相連接，把電壓探頭地端子與模塊N端子相連接，采用最小地環(huán)原則以盡可能地降低噪聲干擾。采用捕捉模式來對(duì)母線浪涌電壓進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試接線及波形示意圖見下圖13。通常不同的應(yīng)用當(dāng)中，其浪涌電壓不同，主要取決于母線電容與功率模塊DIPIPM™的P､N端子的連線寄生電感量。對(duì)于諸如母線電容與DIPIPM™在同一PCB控制板的應(yīng)用（例如家電），通常其浪涌電壓不會(huì)超過規(guī)格值。但對(duì)于母線電容與DIPIPM™在不同的PCB控制板，需要通過導(dǎo)線連接的應(yīng)用（如汽車空調(diào)等），其浪涌電壓會(huì)因連線長度增加而增加，這種情況下，可能會(huì)導(dǎo)致浪涌電壓超標(biāo)，需要對(duì)浪涌電壓進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。
圖13 VCC(浪涌)測(cè)試接線及波形示意圖
噪聲測(cè)試評(píng)價(jià)
噪聲測(cè)試評(píng)價(jià)是DIPIPM™評(píng)價(jià)中的一個(gè)重點(diǎn)評(píng)價(jià)項(xiàng)目，由于DIPIPM™本身工作在高壓大電流的快速開關(guān)狀態(tài)，不可避免的在PCB板上產(chǎn)生噪聲，同時(shí)PCB板上還可能存在其他高速開關(guān)的元器件，例如用于PFC電路的IGBT､用于開關(guān)電源的MOSFET等，都有可能產(chǎn)生噪聲。噪聲水平與工作中整機(jī)電流大小成正比，電流越大，噪聲越高，噪聲的大小與元器件的開關(guān)速度成正比，開關(guān)速度越快，噪聲越大。另外噪聲水平和PCB的布線密切相關(guān)。如果噪聲高于DIPIPM™的允許規(guī)格值，可能導(dǎo)致DIPIPM™運(yùn)行故障，因此需要對(duì)DIPIPM™工作中的噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià)，特別是需要在整機(jī)上帶載情況下對(duì)DIPIPM™噪聲進(jìn)行評(píng)價(jià)。表7是以SLIMDIP-L為例的DIPIPM™相關(guān)噪聲要求。
表7 SLIMDIP-L允許噪聲規(guī)格
噪聲測(cè)試評(píng)價(jià)通常采用示波器進(jìn)行測(cè)試。需要評(píng)價(jià)測(cè)試的位置包括DIPIPM™的15V控制電源､3路15V自舉電源､6路PWM信號(hào)等，測(cè)試的噪聲波動(dòng)應(yīng)小于±1V/μs。VNC的噪聲水平為小于±5V。下圖14是一個(gè)實(shí)際地線噪聲測(cè)試的波形，實(shí)際測(cè)試中要盡可能地把測(cè)試引入的噪聲降低到最低水平（如采用下圖14類型的探頭），測(cè)試中示波器設(shè)置為捕捉模式，采用噪聲電平作為觸發(fā)源進(jìn)行波形捕捉，時(shí)間軸盡可能的小，以反映噪聲的真實(shí)形狀。
圖14 地線噪聲測(cè)試?yán)?br />
對(duì)于單個(gè)PCB上只有1個(gè)DIPIPM™的應(yīng)用來說，噪聲測(cè)試相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)（如單個(gè)PCB上有2個(gè)以上的DIPIPM™），其噪聲測(cè)試會(huì)相對(duì)復(fù)雜，要求評(píng)價(jià)的位置也更多，下圖15給出了一個(gè)推薦的DIPIPM™噪聲測(cè)試點(diǎn)的示意圖。實(shí)際測(cè)試中可以根據(jù)PCB上DIPIPM™的數(shù)量及應(yīng)用類型對(duì)噪聲測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行選擇，下表8給出了根據(jù)不同的應(yīng)用推薦的噪聲測(cè)試點(diǎn)。
圖15 DIPIPM™噪聲測(cè)試位置示意圖
表8 DIPIPM™噪聲測(cè)試點(diǎn)推薦
EMC（電磁兼容）測(cè)試評(píng)價(jià)
EMC測(cè)試主要是用來測(cè)試在整機(jī)工作狀態(tài)下，PCB板耐受電磁干擾的能力及對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾的水平。整機(jī)EMC性能與PCB設(shè)計(jì)､元器件性能､整體電氣布局都息息相關(guān)。不同的設(shè)備對(duì)于EMC的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)不同，應(yīng)用當(dāng)中通常不對(duì)DIPIPM™的EMC進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，而是按照整機(jī)的EMC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整機(jī)評(píng)價(jià)。對(duì)于DIPIPM™來說，其耐受電磁干擾的能力是通過下圖16的測(cè)試電路來進(jìn)行的。以SLIMDIP-L為例，其具備±2.0kV以上的抗噪聲能力。
圖16 DIPIPM™耐噪聲能力評(píng)價(jià)電路
盡管本講講座對(duì)DIPIPM™的評(píng)價(jià)按照生產(chǎn)流程劃分為單體評(píng)價(jià)､DIPIPM™在PCB上的評(píng)價(jià)､整機(jī)評(píng)價(jià)，實(shí)際應(yīng)用中，這些評(píng)價(jià)可以同時(shí)進(jìn)行，例如對(duì)于噪聲的評(píng)價(jià)既可以在PCB控制板上進(jìn)行，也可以在整機(jī)進(jìn)行。關(guān)于評(píng)價(jià)的項(xiàng)目，根據(jù)應(yīng)用的不同，所需要評(píng)價(jià)的項(xiàng)目也不同，這一點(diǎn)需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的不同進(jìn)行靈活增減。例如，在汽車應(yīng)用中，需要進(jìn)行嚴(yán)格的振動(dòng)試驗(yàn)及環(huán)境試驗(yàn)，而家電應(yīng)用中，其振動(dòng)試驗(yàn)及環(huán)境試驗(yàn)的要求會(huì)降低。在整機(jī)評(píng)價(jià)中，需要重點(diǎn)關(guān)注的是測(cè)試工況，由于不同應(yīng)用其負(fù)載及環(huán)境的情況截然不同，例如評(píng)價(jià)噪聲和溫升時(shí)，需要在最大電流下進(jìn)行測(cè)試，而如何找到輸出電流最大的工況需要工程師對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的工作狀態(tài)有清晰的了解。
1:DIPIPM™､SLIMDIP™及DIPIPM+™均為三菱電機(jī)株式會(huì)社注冊(cè)商標(biāo)。
2:DIPIPM→雙列直插式智能功率模塊（Dual-in-line Intelligent Power Module）。
3:PCB→印刷線路板（Printed Circuit Board）。
4:PWM→脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）。
5:DSP→數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Process）。
6:IGBT→絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）。
7:EMC→電磁兼容（ Electro Magnetic Compatibility）。
[1] Mitsubishi electric, “SLIMDIP Series Application note”
[2] Mitsubishi electric, “Super mini DIPIPM Ver.6 Series Application note”
[3] Mitsubishi electric, “Mini DIPIPM with BSD Series Application note”
[4] Mitsubishi electric, “1200V Large DIPIPM Ver.6 Series Application note”
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