進(jìn)行逆變器設(shè)計(jì)時(shí)，IGBT模塊的開(kāi)關(guān)損耗評(píng)估是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。而常見(jiàn)的損耗評(píng)估方法都是采用數(shù)據(jù)手冊(cè)中IGBT或者Diode的開(kāi)關(guān)損耗的典型值，這種方法缺乏一定的準(zhǔn)確性。本文介紹了一種采用逆變器系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)板和母排對(duì)IGBT模塊進(jìn)行損耗測(cè)試和評(píng)估的方法，通過(guò)簡(jiǎn)單的操作即可得到更的損耗評(píng)估。

一般數(shù)據(jù)手冊(cè)中，都會(huì)給出特定條件下，IGBT及Diode開(kāi)關(guān)損耗的典型值。一般來(lái)講這個(gè)值在實(shí)際設(shè)計(jì)中并不能直接拿來(lái)用。在英飛凌模塊數(shù)據(jù)手冊(cè)中，我們可以看到，開(kāi)關(guān)損耗典型值前面，有相當(dāng)多的限制條件，這些條件描述了典型值測(cè)試平臺(tái)。而實(shí)際設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是不可能和規(guī)格書(shū)測(cè)試平臺(tái)一模一樣的。兩者之間的差異，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

• IGBT的開(kāi)關(guān)損耗不僅僅依賴(lài)于驅(qū)動(dòng)電阻，也依賴(lài)于驅(qū)動(dòng)環(huán)路的電感，而實(shí)際用戶(hù)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感常常不同于數(shù)據(jù)手冊(cè)的測(cè)試平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感。
• 驅(qū)動(dòng)中加入柵極和發(fā)射極電容是很常見(jiàn)的改善EMC特性的設(shè)計(jì)方法，而使用該柵極電容會(huì)影響IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程中電流變化率dIc / dt和電壓變化率dVce / dt，從而影響IGBT的開(kāi)關(guān)損耗
• 實(shí)際系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電壓也常常不同于數(shù)據(jù)手冊(cè)中的測(cè)試驅(qū)動(dòng)電壓，在IGBT模塊的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，開(kāi)關(guān)損耗通常在±15V的柵極電壓下測(cè)量，而用戶(hù)的驅(qū)動(dòng)電壓有時(shí)也并非這個(gè)電壓數(shù)值。
• 數(shù)據(jù)手冊(cè)通常會(huì)在較小的母排雜散電感下進(jìn)行開(kāi)關(guān)損耗測(cè)試，而實(shí)際系統(tǒng)的母排或者PCB的布局常常會(huì)存在比較大的雜散電感。

正因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)的母排、驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)手冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)的母排、驅(qū)動(dòng)存在著差異，才導(dǎo)致了直接采用數(shù)據(jù)手冊(cè)的開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)的損耗評(píng)估存在著一定的誤差。一種改善的方式是直接采用實(shí)際系統(tǒng)的母排和驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，IGBT模塊可以固定在一個(gè)加熱平臺(tái)上，而加熱平臺(tái)能夠調(diào)節(jié)到150℃并保持恒溫。

圖1給出了雙脈沖的測(cè)試原理圖，圖2給出了雙脈沖測(cè)試時(shí)的波形圖，典型的雙脈沖測(cè)試可以按照?qǐng)D1和圖2 進(jìn)行，同時(shí)需要注意將加熱平臺(tái)調(diào)整到一定的溫度，并等待一定時(shí)間，確保IGBT的結(jié)溫也到達(dá)設(shè)定溫度。

圖3給出了雙脈沖測(cè)試過(guò)程中，IGBT的開(kāi)通過(guò)程和關(guān)斷過(guò)程的波形。損耗可以通過(guò)CE電壓和導(dǎo)通電流的乘積后的積分來(lái)獲得。需要注意的是電壓探頭和電流探頭需要匹配延時(shí)，否則會(huì)引起比較大的測(cè)試誤差。在用于數(shù)據(jù)手冊(cè)的測(cè)試平臺(tái)中，常見(jiàn)的電流探頭是PEARSON探頭，而實(shí)際系統(tǒng)的母排中，很難裝入PEARSON探頭，更多的采用Rogowski-coil。需要注意的是Rogowski-coil 的延時(shí)會(huì)比較大，而且當(dāng)電流變化率超過(guò)3600 A/μs時(shí)，Rogowski-coil 會(huì)有比較明顯的誤差。關(guān)于測(cè)試探頭和延時(shí)匹配也可同儀器廠(chǎng)家確認(rèn)。

圖3-1 IGBT關(guān)斷過(guò)程

DUT：FF600R12ME4; CH2（綠色）- VGE，CH 3（藍(lán)色）- ce，CH4（紅色）- Ic

圖3-2 IGBT開(kāi)通過(guò)程

首先固定電壓和溫度，在不同的電流下測(cè)試IGBT的開(kāi)關(guān)損耗，可以得出損耗隨電流變化的曲線(xiàn)，并且對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，可以得到損耗的表達(dá)式。該系統(tǒng)的直流母線(xiàn)電壓小為540V，700V。而系統(tǒng)的IGBT的結(jié)溫的設(shè)計(jì)在125℃和150℃之間。分別在540V和700V母線(xiàn)電壓，及125℃和150℃結(jié)溫下重復(fù)上述測(cè)試，可以得到一系列曲線(xiàn)，如圖4所示。

圖4：在不同的電流輸入條件下，以電壓和溫度為給定條件的IGBT的開(kāi)關(guān)損耗曲線(xiàn)

依據(jù)圖4給出的損耗測(cè)試曲線(xiàn)，可以依據(jù)線(xiàn)性等效的方法得到IGBT的開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗在電流，電壓，結(jié)溫下的推導(dǎo)公式。

同理也可以得到Diode在給定系統(tǒng)的電壓，電流，結(jié)溫設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的反向恢復(fù)損耗的推導(dǎo)公式：

圖5：在不同的電流輸入條件下，以電壓和溫度為給定條件的Diode反向恢復(fù)損耗曲線(xiàn)

雖然這里介紹的方法相對(duì)于采用IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)的開(kāi)關(guān)損耗典型值提供了一些改進(jìn)，但仍存在一些缺點(diǎn)，比如在非常低的電流時(shí)，損耗會(huì)有一定的誤差，這可以通過(guò)采用非線(xiàn)性模型或多級(jí)的電流線(xiàn)性模型來(lái)優(yōu)化。

通過(guò)采用實(shí)際系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和母排進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電壓，電流和溫度范圍內(nèi)，可以得到比采用數(shù)據(jù)手冊(cè)的典型值更準(zhǔn)確的損耗評(píng)估。

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