IGBT测试方法

中矿传动技术交流

理论实践

2021年8月23日发布

      IGBT是绝缘栅双极型晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor）的简称，它结合了功率MOSFET和GTR两者的优点，兼备功率MOSFET的速度优点和GTR的载流能力，其性能更为优良，目前成为各种中、大功率电力电子设备的主导器件。

       在应用现场，有时需判断IGBT的好坏，此时可采用数字万用表的二极管档进行简单测量。IGBT有三个电极，分别是栅极G、集电极C和发射极E。根据IGBT规格书，可以确定出三个电极。由于功率端子C极和E极间反并联二极管，用数字万用表的二极管档测试正常IGBT的C 、E两极时，表笔正测反测会出现两个结果：一个是数值溢出；一个会显示零点几伏的通态压降，此时，正表笔接触的是E极。另外，也可用此方法进行门极电容是否击穿的判断，表笔正测反测都显示数值溢出，则表明门极没被击穿。

       上述测试方法简单易懂，能快速筛选出已损坏的IGBT。若想进行进一步的测试，工程上多采用双脉冲测试。本文简介工程上常用的IGBT双脉冲测试方案。

       在电力电子领域，经常谈到双脉冲测试，大家也都有所耳闻。现阶段，PWM控制技术在电力电子技术中占有举足轻重的地位，具体到电力电子器件上，体现为电力电子器件的开关控制。因此，双脉冲测试可以理解为基于实际功率模组或特定功率回路（如半桥），通过IGBT两次开关过程，测试IGBT和二极管在开通、关断阶段的动态电气参数。本质上，模拟IGBT在一定电压、电流下的开通、关断过程。

        图1给出IGBT的失效形式，可以看出，IGBT失效主要体现为电气损坏和热损坏。相关人员在变流器失效分析中得出一个结论：IGBT问题和驱动引起的失效占比超过50%。从功率器件最佳工况出发，我们需要通过双脉冲测试，评估IGBT相关的各项动态电气参数。

图1  IGBT失效形式

       此外，规格书上给出的参数-是在特定条件下测得的，而实际应用中的外部参数都是个性化的。从变流器的稳定性出发，我们需要一些测试评估手段，了解IGBT在具体应用中更真实的表现。

       在双脉冲实验中，可以准确地观察到IGBT内部半导体芯片在某种温度下的开通、关断行为。测试表明：在该实验中表现出来的行为，就是IGBT在实际应用中的行为。

       图2所示的是二极管箝位型（NPC）三电平功率变换器，是公司交流调速电控系统功率回路的主要拓扑形式，既可作为电网侧功率变换器，又可作为负载侧功率变换器。每一相均由4个带有反并联二极管的IGBT模块和两个箝位二极管组成，每一相可称为NPC三电平功率模组（也称功率单元）。

       图3给出两电平功率变换器功率回路的主要拓扑形式，可以看成由三个半桥电路组合而成，每个半桥电路有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。每个半桥的两个桥臂连接点为交流输出端。

图2  NPC三电平变换器

图3  两电平功率变换器

       NPC三电平功率变换器的一相称为NPC三电平功率模组，图4给出其主回路拓扑形式。为保证工程应用的可靠性，需对NPC三电平功率模组进行双脉冲测试。

        两电平功率变换器的一相也称为两电平功率模组，图5给出其主回路拓扑形式。公司交流调速电控系统较少使用两电平功率模组，该拓扑形式多用于开发测试中。

图4  NPC三电平功率模组

图5  两电平功率模组

       因此，IGBT双脉冲测试方案分为两种：实际功率模组（基于NPC三电平）与通用测试平台（基于两电平功率模组）的双脉冲测试方案。

       在实际应用中，通用测试平台-双脉冲测试的硬件准备如下：① 高压电源、② 负载电感、③ 测量装置+双脉冲发生器、④ 电容组+叠层直流母排、⑤ 被测IGBT及驱动电路。

       图6通用测试平台-双脉冲测试应用方案，从中可以看出，被测IGBT及驱动电路是测试的观察对象，测试的主要目的也已简要列出。

图6  通用测试平台-双脉冲测试应用方案

      在实际应用中，实际功率模组-双脉冲测试的硬件准备如下：① 高压电源、② 负载电感、③ 测量装置+双脉冲发生器、④ 实际功率模组。

图7实际功率模组-双脉冲测试应用方案，从工程应用层面进行一些测试。

        实际电力电子装置的电参数受以下三种因素相互耦合的影响：母排结构、驱动电路、器件的开关特性。即对其中一种因素测试时，需屏蔽另外两种因素的影响。

图7 实际功率模组-双脉冲测试应用方案

       综上，进行双脉冲测试时我们可以基于两种硬件测试平台。通用测试平台的测试重点在于功率器件或驱动电路的参数。实际功率模组着重从整体上评估功率器件的电流、电压应力是否在安全范围之内。

  （本稿件由中矿传动市场部整理编辑，经中矿传动技术支持团队审核授权发布！）

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