双脉冲实验报告
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双脉冲实验
1. 双脉冲实验概述
通过双脉冲实验可以观察IGBT在开通、关断过程中是否有不合适的震荡，评估二极管的反向恢复行为和安全裕量以及确定有源钳位电路的工作点，保证其在极限工况下可靠工作，在额定工况下可持续工作。
1.1 双脉冲实验的基本原理
实验电路如下a所示。
图1 双脉冲实验电路(a)及各关键点波形(b)
a中Q1、Q2为IGBT模块，型号是FS800R07A2E3，开关管Q2栅极施加负压保持关断状态，Q1栅极施加由DSP提供的双脉冲波形，调节脉冲宽度T1、T2和T3可以调节电流I C1、I L0的大小。
D1和D2为开关管内部并联二极管。
L0为测试用空心电感，大小为25uH。
C0为母线端薄膜电容，本次实验为了能确保大电流输出，电容量取2000uF。
Us 为直流电源，用于调节母线电压。
a中所标各关键点电压和电流波形如b所示。
其中，V g_Q1为开关管Q1的双脉冲驱动信号，I C1为Q1集电极电流，V CE1为Q1集-射电压，I D2为并联二极管D2的电流，V D2为二极管正向电压，I L0为电感L0电流。
在实际电路中由于漏感及寄生电容的存在，开关切换时波形中会有电压及电流尖峰，主要表现为：
●在t2及t4时刻，Q1关断，电压V CE1存在漏感电压尖峰；
●在t3时刻，Q1逐渐导通，D1逐渐关断，电流I D2存在反向恢复电流尖峰，电压
V D2存在漏感电压尖峰。
以上两点需要通过双脉冲实验进行验证，确保电压、电流应力不超过开关管安全工作区。
1.2 栅极有源钳位电路
a中Q1关断时，集-射极会承受直流母线电压Us与漏感尖峰的叠加，负载电流越大，尖峰越高，为了保护开关管，驱动电路中加入下所示的有源钳位电路。
图2 开关管有源钳位电路
中TVS管的型号为P6SMB510A，门限电压V tvs_th为485～535V，当V CE高于V tvs_th 时，TVS击穿并流过电流I tvs_br，该电流一方面拉低V CE电压，另一方面抬高开关管栅极电压从而减缓Q1的关断速度，降低V CE电压。
有源钳位电路需要保证逆变器在过载甚至短路时能够可靠抑制V CE电压，同时又要保证该电路在逆变器额定工作区中能够持续工作，这主要考虑到TVS击穿时有与V CE成正比的电流I tvs_br流过，长时间工作会导致TVS 过热，所以双脉冲实验另一个目的是验证逆变器可持续工作区的选取是否合适。
综上所述，本次双脉冲实验的目的为：
1)验证极限工况下IGBT集-射电压V ce_max是否在额定范围之内；
2)IGBT并联二极管关断时的应力是否在额定范围之内；
3)逆变器可持续工作区的确定。
2. 极限工况下IGBT集-射电压V ce_max
2.1 测试目的
评价有源钳位电路的工作效果，IGBT在极限电压电流条件下关断时，其集-射电压电压尖峰要低于最大可承受电压，根据IGBT规格书，该电压值为650V。
测试电路如所示：
图3 极限工况测试电路（Q1为被测对象，○A表示电流探头位置）
2.2 测试条件
输入电压V in = 425V
集电极电流I c = 1100A （两倍额定电流）
2.3 测试结果
V ce_max = 579V
测试波形如下所示。
图4 极限工况下IGBT集-射电压（C1：V ce，C2：栅极驱动V ge，C4：集电极电流I c）
3. IGBT并联二极管关断
3.1 测试目的
当桥臂中的一个IGBT逐渐开通时，流过该IGBT的电流逐渐增大，同时另一个IGBT的并联二极管电流I D逐渐减小，由于它的反向恢复特性，该二极管会承受较大的电压及电流应力，该项测试是为了评价该过程中二极管是否工作在安全区域内。
测试电路如所示。
图5 IGBT并联二极管关断测试（Q2为被测对象，○A表示电流探头位置）
3.2 测试条件
输入电压V in：450V
测试电流I D：
分别取50A、150A、250A、375A、550A、714A、825A、962A、1100A。
3.3 测试结果
所示为450V输入下的测试结果。
其中，通道C1为IGBT端电压（黄），C2为IGBT 栅极驱动（绿），C3为二极管电压V D（红），C4为二极管电流I D（蓝）。
表1 二级管关断时两端电压V以及最大反向恢复电流I
（续）二级管关断时两端电压V以及最大反向恢复电流I
（续）二级管关断时两端电压V以及最大反向恢复电流I
所示为IGBT安全工作区，对比的测试结果，二极管关断过程中的电压、电流没有超出安全工作区。
图6 IGBT安全工作区及450V输入下的二极管关断应力（位于阴影部分内）
4. 逆变器可持续工作区的确定
4.1 测试目的
IGBT持续工作时需要确保有源钳位电路不工作或温升不超过最高温度，且该电路是否工作取决于输入电压V in以及IGBT关断时电流I c，V in越高，IGBT流过持续电流I c 的能力就越低，这是因为较高的I c会产生较高的关断电压尖峰，该尖峰会触发有源钳位电路工作，如果尖峰较高，钳位电路的工作电流就会很大，由此产生较高的温升。
该项测试是为了找出逆变器可持续工作的母线电压及负载电流。
4.2 测试条件
输入电压V in：
250V、275V、300V、325V、350V、375V、400V、425V和450V；
测试电流I c_off：
在以上各个电压下逐渐增加IGBT关断电流直到关断电压尖峰达到有源钳位电路中TVS门限电压。
根据TVS规格书，其门限电压V tvs_th为485～535V，此时TVS工作电流为1mA。
4.3 测试结果如下所示。
表2 达到TVS门限电压时的V和I以及I
结合与可得下所示V in与I c_off关系曲线以及IGBT安全区，曲线1及曲线2下方代表逆变器可持续工作区。
图7 V in 与I c_off 关系曲线（曲线1及曲线2）以及IGBT 安全区
4.4 TVS 持续工作时损耗及温升的评估
在实际电路中，很难通过实测得到TVS 工作时的电流，所以此处只能根据规格书对损耗及温升进行估算。
根据TVS 规格书，TVS 工作时，电流最大不超过0.86A ，当TVS 两端钳位电压为535V 时，其损耗及温升计算过程为：
相电流频率rpm
p e N N f 60=
其中，N p 为电机极对数，取4；N rpm 为转速，取9000rpm 。
TVS 工作时相电流持续时间为：
上式中I p_br 为TVS 开始工作时所对应的相电流根据所示，最恶劣的工况为V in =450V ，I c_off =200A ，所以I p_br 可取200A ；I pk_p 为相电流峰值，由工况决定，这里取550A 。
TVS 损耗：e br tvs br tvs br tvs s loss tvs f T V I f t P *****____∆=
式中V tvs_br 为TVS 门限电压，取535V ；T tvs_br 为TVS 工作时间，通过测量得100ns 。
TVS 温升：ja tvs loss tvs R P T __*=∆
其中R tvs_ja 为TVS 热阻，为277W/℃（焊盘大小3×3mm ）. 最终计算得TVS 损耗为0.16W ，温升48.76℃.
根据规格书，TVS 工作电压为485～535V 时，其工作电流会在1mA 附近，小于以上计算时所取的0.86A ，所以，TVS 实际温升会远低于48.76℃.
逆变器可持续工作区可取中的曲线2的下方。
