Силовая электроника №6'2012

Типовое испытание высоковольтного IGBT-модуля с драйвером СT-Concept на специализированном стенде Mitsubishi Electric

Толстопятов Виктор


В статье представлены результаты испытаний высоковольтного IGBT-модуля CM1200HG-90R производства Mitsubishi Electric в работе с драйвером 1SP0335V2M1 фирмы CT-Concept, выполненных посредством нового лабораторного стенда, введенного в эксплуатацию в московском офисе компании. Приведено краткое описание лабораторной установки и основных ее параметров, изложена методика тестирования, показаны различные зависимости основных электрических величин при работе связки IGBT–драйвер в динамических режимах.

В условиях внедрения современных энергосберегающих технологий, при требованиях высокоточных технологических процессов IGBT-модули на сегодня стали неотъемлемой частью практически любого преобразовательного устройства, без которой невозможно получить их столь же высокие показатели работы для большинства задач и применений. Конструкция и параметры IGBT постоянно совершенствуются, повышается устойчивость и «живучесть» модулей при жестких условиях эксплуатации и в аварийных режимах, растет значение удельной мощности на единицу объема. Все это делает такую задачу, как выбор силовых полупроводниковых элементов с оптимальными характеристиками при проектировании конкретных устройств, все более сложной. Технических параметров работы IGBT-модулей, предоставляемых производителем вместе с устройством, зачастую бывает недостаточно для того, чтобы предусмотреть поведение IGBT для всех возможных сочетаний условий работы (тока, напряжения, температуры, индуктивности со стороны звена постоянного тока, параметров нагрузки), что приводит к неправильной эксплуатации IGBT-модулей и выходу их из строя. Для исследования работы модулей в различных условиях в лаборатории московского офиса Mitsubishi Electric был построен специализированный лабораторный стенд, дающий возможность проведения измерений основных электрических величин для широкого диапазона IGBT по напряжению.

Лабораторный стенд для тестирования IGBT

Данный лабораторный стенд представляет собой установку, имеющую в своей базе все необходимые устройства и измерительные приборы, позволяющие произвести эксперимент, в ходе которого можно снять осциллограммы тока и напряжения при включении/выключении IGBT. Причем такие параметры, как ток, напряжение, индуктивность со стороны звена постоянного тока и температура, являются вариабельными. Это позволяет исследовать характеристики IGBT-модулей широкого диапазона токов и напряжений, используемых в преобразователях, на этапах как проектировки, так и эксплуатации, когда необходимо идентифицировать причину их выхода из строя.

Функциональная схема стенда (рис. 1) представляет собой контур из последовательно соединенных между собой конденсаторов, используемых в качестве источника постоянного напряжения, и двух испытуемых IGBT (верхний и нижний — максимально близко к тому, как это реализовано в схемах инверторов). Для регулирования значения тока в схеме применяется индуктивность L, подключенная параллельно верхнему/нижнему, всегда закрытому ключу M1/M2, в то время как коммутируемым является нижний M2/верхний M1. При этом алгоритм проведения измерений выглядит так:

  1. зарядка конденсатора C высоковольтным источником постоянного тока VDC до нужного значения напряжения;
  2. включение транзистора M1/M2 (при этом путь протекания тока — конденсатор–индуктивность–активный IGBT);
  3. по достижении током в индуктивности L нужного значения — выключение активного ключа;
  4. после выключения M1/M2 ток в индуктивности, уже достигший определенного значения, замыкается через обратный диод в M2/M1;
  5. пауза для восстановления транзистором запирающих свойств;
  6. повторная коммутация транзистора, что соответствует включению прибора на заведомо заданные значения тока и напряжения.
 Схема силовой части установки

Рис. 1. Схема силовой части установки

Как видно из данного алгоритма, управляющий сигнал имеет вид двух, следующих друг за другом импульсов, с паузой между фронтами (их источник на схеме обозначен как G). Причем длительность первого импульса является длительностью переходного процесса конденсатор–индуктивность, во время которого ток в катушке растет по синусоиде. Таким образом, меняя величину индуктивности и длительности импульса, можно варьировать результирующую конечную силу тока.

Схема тестирования

Для получения динамических характеристик модулей CM1200HG-90R с драйвером 1SP0335V2M1 в режимах включения, выключения и короткого замыкания использовались две схемы (рис. 2 и 3). При этом обозначения на рис. 2 и 3 имеют следующую расшифровку: VCC — высоковольтный источник постоянного тока, обеспечивающий заряд конденсаторной батареи CDC до нужного значения напряжения; LS — индуктивность со стороны звена постоянного тока, искусственно вносимая посредством изменения геометрии коммутационной шины; LLOAD — индуктивность для формирования импульса тока нужной величины; С1MAIN, C2MAIN, E1MAIN, E2MAIN — силовые терминалы коллектор, эмиттер; С1AUX, C2AUX, E1AUX, E2AUX, G1, G2 — вспомогательные терминалы коллектор, эмиттер, затвор; GD1, GD2 — драйверы верхнего и нижнего ключей соответственно; IC, IE, VGE — места подключения измерительного оборудования (ток коллектора, ток эмиттера, напряжение затвор–эмиттер). Схема, изображенная на рис. 2, предназначена для опытов включения и выключения транзисторов, при этом она также позволяет измерять значение тока и напряжения в обратном диоде верхнего ключа. Схема на рис. 3 предназначена для опыта короткого замыкания (индуктивность LLOAD отсутствует, верхний IGBT всегда включен).

 Схема тестирования для опытов включения и выключения

Рис. 2. Схема тестирования для опытов включения и выключения


 Схема тестирования для опыта КЗ

Рис. 3. Схема тестирования для опыта КЗ

Результаты тестирования

Для лучшего понимания указанных ниже результатов приведем описание основных полученных величин.

 Основные обозначения при выключении IGBT

Рис. 4. Основные обозначения при выключении IGBT
  • Для выключения IGBT (рис. 4):

где EOFF — энергия, выделяющаяся в транзисторе при выключении, Дж;

где dV/dt (70–50%) — скорость нарастания напряжения с 70% уровня до 50%, В/с;

где dI/dt (90–50%) — скорость спада тока с 90% уровня до 50%, А/с.

 Основные обозначения при включении IGBT

Рис. 5. Основные обозначения при включении IGBT
  • Для включения IGBT (рис. 5):

где EON — энергия, выделяющаяся в транзисторе при включении, Дж;

где dI/dt (90–50%) — скорость нарастания тока с 50% уровня до 90%, А/с.

 Основные обозначения для процесса обратного восстановления диода

Рис. 6. Основные обозначения для процесса обратного восстановления диода
  • Для процесса обратного восстановления диода (рис. 6):

где ERR — энергия, выделяющаяся в диоде в процессе обратного восстановления, Дж;

где dI/dt (50–0%) — скорость спада тока в диоде с 50% уровня до 0%, А/с; PMAX — значение максимальной мощности, выделяющейся за время переходного процесса, Вт.

В качестве измерительного инструмента использовался четырехканальный осциллограф LeCroy WaveRunner 6100A с полосой пропускания 1 ГГц. Все исходные данные представляют собой осциллограммы токов и напряжений при переходных процессах, полученные с помощью данного прибора. Физические величины, представленные на графиках ниже, были рассчитаны в среде Microsoft Office Excel посредством обработки этих данных.

Зависимости от тока

На рис. 7 изображены зависимости основных параметров переходных процессов в транзисторе и диоде от тока для температур +25 и +125 °C при напряжении 2800 В. Сплошными линиями показаны зависимости для +25 °C, пунктирными — для максимальной рабочей температуры данных модулей +125 °C. Рис. 7а иллюстрирует зависимости энергии и мощности в транзисторе при выключении, а также скорости изменения тока и напряжения для разных значений тока коллектора. Для EOFF и PMAX графики носят линейный характер, поскольку обе величины пропорциональны току. Причем разница между «холодным» и «горячим» состояниями для энергии EOFF существенна, так как переходный процесс затягивается с ростом температуры, а для мощности PMAX она минимальна, ибо максимальные значения тока и напряжения с ростом температуры практически не изменяюся. Ростом времени выключения транзистора с повышением температуры объясняется также уменьшение скоростей роста/спада тока и напряжения, отраженное на рисунке.

 Параметры переходных процессов при различных токах

Рис. 7. Параметры переходных процессов при различных токах

На рис. 7б показаны аналогичные предыдущему рисунку зависимости, но для процесса включения IGBT. Характер кривых объясняется теми же явлениями, однако зависимости мгновенной мощности от тока, ввиду особенностей данного кристалла, носят теперь экспоненциальный характер.

Графики для диода в процессе его обратного восстановления представлены на рис. 7в. Стоит отметить, что значение энергии восстановления для него при изменении температуры с +25 до +125° повышается более чем в полтора раза. Мгновенная мощность также существенно изменяется.

Зависимости от напряжения

Рис. 8 показывает зависимости энергий включения, выключения и обратного восстановления диода (а–в), а также мгновенных мощностей от напряжения коллектор-эмиттер для температур +25 и +125 °C при токе 2400 А. Помимо этого, на рисунке изображены скорости спада/нарастания тока и напряжения. Как и в предыдущем случае, такие параметры, как мгновенная мощность и энергия, пропорциональны изменяемой величине — напряжению, поэтому формы графиков имеют приблизительно линейный характер. При этом с ростом напряжения увеличиваются скорости изменения тока.

 Параметры переходных процессов при различных напряжениях

Рис. 8. Параметры переходных процессов при различных напряжениях

Зависимости от температуры

Поскольку свойства полупроводниковых кристаллов могут довольно сильно меняться с изменением температуры, графики, изображенные на рис. 9, представляются крайне важными. На них показаны зависимости всех основных параметров работы модуля от температуры для токов 1200 и 2400 А и напряжения 2800 В. Основное влияние повышения температуры на переходный процесс в транзисторе/диоде — это увеличение его времени. Оно способствует ухудшению всех величин, характеризующих энергетические показатели работы IGBT, что и видно на графиках: энергии за пульс и мгновенные мощности растут, скорости падают. Наибольший интерес данные характеристики представляют на этапе проектирования охладителя к будущему преобразователю, когда необходимо знать потери в ключе в конкретном применении.

 Параметры переходных процессов при различных температурах

Рис. 9. Параметры переходных процессов при различных температурах

Области безопасной работы

Область безопасной работы SOA (Safe Operating Area) — это некоторая зона на графике зависимости тока от напряжения, в пределах которой производитель гарантирует работоспособность прибора без риска выхода его из строя. Для переходных процессов в IGBT-модуле CM1200HG-90R такие зоны изображены на рис. 10. Зеленая линия является границей области безопасной работы для трех режимов: RBSOA (Reverse Bias SOA) — область безопасного закрытия; RRSOA (Reverse Recovery Safe SOA) — область безопасного обратного восстановления диода; SCSOA (Short Circuit SOA) — область безопасного короткого замыкания. Традиционно границы таких областей определяются следующим образом: горизонтальная часть — ограничение по току, обусловленное перенапряжением при его коммутации; вертикальная часть — ограничение по напряжению, определяемое типом изоляции модуля; угловой скос — ограничение по мощности, диктуемое максимальной рассеивающей способностью прибора. В данном случае, как показывают графики, кривые переключения лежат в областях безопасной работы с большим запасом для всех трех случаев.

 Переходные процессы на диаграммах областей безопасной работы

Рис. 10. Переходные процессы на диаграммах областей безопасной работы

Заключение

В статье описан лишь образцовый пример испытания связки IGBT-модуль–драйвер. Представленные характеристики показывают работу модуля только в некоторых, но никак не во всех, условиях, симуляция которых возможна с помощью вышеупомянутого лабораторного стенда. Например, здесь не представлены зависимости при изменении паразитной индуктивности со стороны звена постоянного тока, которые могут быть получены подобным образом (диапазон изменения индуктивности 50–300 нГн). Помимо приведенных результатов, статья также направлена на формирование представления о возможностях стенда, позволяющих провести испытания для каждого конкретного случая применения IGBT.

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2012_06_54.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо