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1.1 短路測(cè)試

1.1.1 短路測(cè)試的目的及方法

在電力電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，短路測(cè)試是必須要進(jìn)行的一個(gè)關(guān)鍵測(cè)試項(xiàng)目，這是因?yàn)槎搪吩趯?shí)際應(yīng)用中極有可能發(fā)生，而且一旦發(fā)生短路時(shí)，系統(tǒng)能夠可靠保護(hù)。另一方面，短路時(shí)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?lèi)毫拥倪\(yùn)行狀況之一。對(duì)HVIGBT模塊的短路測(cè)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(shí)，短路故障需被檢出，并在HVIGBT模塊允許的短路耐量時(shí)間內(nèi)關(guān)斷，這個(gè)時(shí)間一般是10us。

圖6.21 短路測(cè)試電路

圖6.21給出了橋臂直通短路的測(cè)試電路。電路搭建和測(cè)試過(guò)程的注意事項(xiàng)：

1) 注意短接上臂銅排的長(zhǎng)度和寬度，因?yàn)闀?huì)影響短路回路的雜散電感和測(cè)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(shí)驗(yàn)前后確認(rèn)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?yàn)樵谙卤跦VIGBT關(guān)斷后，電流需要經(jīng)過(guò)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?yàn)槎搪窌r(shí)能量會(huì)產(chǎn)生一定的沖力，如果連接處斷開(kāi)，則被測(cè)模塊會(huì)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(shí)是否會(huì)超過(guò)模塊的額定耐壓值；

6) 確認(rèn)測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度在模塊的規(guī)格書(shū)要求之內(nèi)。

7) 同時(shí)監(jiān)控V_CE，V_GE和I_C波形。

進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可以考慮以下建議：

1) 首先調(diào)試弱電信號(hào)，確認(rèn)HVIGBT動(dòng)作的時(shí)間和預(yù)定時(shí)間一致；

2) 在較低母線(xiàn)電壓情況下，比如50V以下，并控制短路時(shí)間(10us以?xún)?nèi))進(jìn)行短路測(cè)試，以確認(rèn)整個(gè)電路功工作正常；之后再升高母線(xiàn)電壓進(jìn)行測(cè)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(duì)不同的短路模式其檢測(cè)方法也有多種，下面先對(duì)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(lèi)。

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(cuò)線(xiàn)或者外部因素導(dǎo)致的橋臂內(nèi)發(fā)生直通短路，電流直接流過(guò)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(kāi)通N側(cè)的HVIGBT，則短路電流經(jīng)過(guò)N側(cè)的HVIGBT，從P側(cè)流向N側(cè)。短路時(shí)候的負(fù)載非常小，僅為線(xiàn)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(shí)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(cè)試電路

測(cè)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(jī)CM1500HC-66R的短路實(shí)測(cè)波形。值得注意的是圖中短路的脈沖寬度為20us，但是在實(shí)際應(yīng)用中需要保護(hù)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(mén)極驅(qū)動(dòng)波形是正常的。在HVIGBT模塊發(fā)生短路時(shí)，由于HVIGBT模塊的C-E電壓的dv/dt變化非常大，因此會(huì)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(jìn)而使得短路電流變大。

對(duì)于短路電流，起始處電流會(huì)達(dá)到最大值，之后會(huì)由于結(jié)溫的上升而減小。

對(duì)于圖6.23中電壓曲線(xiàn)，在HVIGBT關(guān)斷時(shí)，由于di/dt和電路中的雜散電感，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓尖峰。對(duì)于此值，一方面尖峰電壓不能超過(guò)模塊的額定電壓值；另一方面，電壓和電流對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)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(fù)載短路

這種短路模式多發(fā)生在負(fù)載端，例如負(fù)載短路，那么短路電流會(huì)迅速上升，但是由于連接負(fù)載的導(dǎo)線(xiàn)上還有一定的電感，導(dǎo)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(fù)載電感大小有關(guān)，存在不確定性。短路發(fā)生的時(shí)刻是在設(shè)備啟動(dòng)的時(shí)刻，即短路電流是從零開(kāi)始的。

這種短路的模擬電路和測(cè)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(kāi)通N側(cè)的HVIGBT，則短路電流通過(guò)負(fù)載電感L以及N側(cè)的HVIGBT從P側(cè)流向N側(cè)。負(fù)載的大小和電流的上升率di/dt主要取決于L。

圖6.24 負(fù)載短路測(cè)試電路

測(cè)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(fù)載短路測(cè)試波形

如果短路時(shí)回路電感很大，電流在短時(shí)間沒(méi)有到達(dá)短路電路的保護(hù)值，而又大于正常工作的電流，那么會(huì)造成HVIGBT長(zhǎng)時(shí)間工作在大電流狀態(tài)，容易造成過(guò)熱損壞。

1.1.2.3 短路模式三：運(yùn)行中橋臂短路

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

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

圖6.26 運(yùn)行中橋臂短路測(cè)試電路

圖6.27 運(yùn)行中橋臂短路的邏輯信號(hào)

從以上幾類(lèi)短路中我們都能看到，短路時(shí)候的電流都會(huì)非常大，根據(jù)不同的HVIGBT芯片特性，有的短路電流甚至達(dá)到額定電流10倍以上，因此對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)必須迅速檢測(cè)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(shí)際的短路試驗(yàn)過(guò)程中，還需要注意以下幾點(diǎn)：

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

b) 兩次短路試驗(yàn)之間應(yīng)該留有足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使得T_j恢復(fù)到試驗(yàn)需要的溫度。

c) 為了限制短路試驗(yàn)關(guān)斷時(shí)電壓尖峰，可以使用專(zhuān)門(mén)的技術(shù)減小短路關(guān)斷時(shí)的di/dt，例如增加關(guān)斷電阻R_G(off)或者門(mén)極有源鉗位。

測(cè)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(yùn)行中橋臂短路的測(cè)試波形

1.2 溫升測(cè)試

溫升是與模塊的損耗和熱阻相關(guān)的。損耗可以通過(guò)計(jì)算或者仿真來(lái)得到，進(jìn)而進(jìn)行散熱方面的設(shè)計(jì)，如散熱器的材料、形狀和大小等。但是，最終的評(píng)判還是需要通過(guò)實(shí)測(cè)來(lái)確認(rèn)。

對(duì)于HVIGBT模塊來(lái)說(shuō)，實(shí)際應(yīng)用中需要考慮的溫度規(guī)格包含兩個(gè)：存儲(chǔ)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(shū)上約定的結(jié)溫。需要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中HVIGBT，需要評(píng)估其運(yùn)行結(jié)溫(T_jop)和最大結(jié)溫(T_jmax)。簡(jiǎn)單來(lái)講，運(yùn)行結(jié)溫就是在可重復(fù)較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)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(yùn)行超過(guò)的溫度值。

對(duì)于溫度的測(cè)試，可以根據(jù)6.1.1.4中描述的儀器來(lái)選擇合適的測(cè)試方法來(lái)評(píng)定模塊的溫度。如果采用熱電偶和溫度記錄儀來(lái)測(cè)量溫度，則需要根據(jù)規(guī)格書(shū)的約定來(lái)選取合適的測(cè)溫點(diǎn)。比如，對(duì)于三菱電機(jī)R系列HVIGBT模塊，需要測(cè)量的溫度點(diǎn)是硅片的正下方。之后，通過(guò)計(jì)算來(lái)獲得結(jié)溫，并對(duì)結(jié)溫運(yùn)行的可行性進(jìn)行評(píng)估。

另外一種溫升測(cè)量方法，便是采用熱成像儀來(lái)直接測(cè)量模塊的結(jié)溫。優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、直接、明了。采用熱成像儀時(shí)，需要注意的是必需將模塊外殼打開(kāi)，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(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

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HVIGBT的短路與溫升測(cè)試

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