一种SiC IGBT串联阀组动态均压特性和反向恢复特性的测试方法及测试电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种SiC IGBT串联阀组动态均压特性和 反向恢复特性的测试方法及测试电路。
【背景技术】
[0002] 在高压大功率变换器中，IGBT单管的耐压等级非常有限，远不能满足实际工程应 用需求。IGBT直接串联技术是解决该问题的一种重要的方法。该方法大大简化了高压大功 率变换器的结构，控制系统简单，关键问题在于如何确保各串联器件的动、静态电压均衡， 尤其是动态电压均衡，以防止器件因过电压而损坏。
[0003] 引起串联器件动态电压不均衡的原因很多，其中一条很重要的原因是：反向二极 管恢复特性的差异性。在感性负载情况下，IGBT开通时与续流二极管之间存在一个换流过 程，由于二极管的反向恢复时间和动态过程的差异，在IGBT开通瞬间，会在续流二极管两 端产生过电压。在桥式电路中IGBT通常与二极管反向并联，二极管两端的过电压即为IGBT 的过电压。
[0004] 为了对IGBT的动态特性和反向恢复特性进行分析，常使用双脉冲测试法。双脉 冲测试法的测试电路如图1所示。图1中下管IGBT是被测对象，上管IGBT的门极上加了 负压，因此是关断的，只有续流二极管起作用。测试时对下管IGBT施加周期性的脉冲信号 Vge，同时监测Vce电压和Ic电流。根据监测到的数据分析IGBT的动态特性和反向恢复特 性。
[0005] SiC肖特基二极管作为一种新型的功率器件，其少子寿命比Si小6个数量级，其反 向恢复电流非常小，反向恢复时间非常短，在目前功率器件有限的开关速度驱动下，几乎无 法测量到明显的反向恢复波形。将SiC肖特基二极管与IGBT组合，能够改善IGBT开断过 程中的动态均压效果和减少反并联二极管导致的过压尖峰。因此，基于SiC IGBT搭建的串 联阀组，其串联均压特性与Si IGBT串联阀组有所不同。
[0006] 由于SiC IGBT串联阀组的这些特点，双脉冲测试方法不能完全适应SiC IGBT串 联阀组的测试。双脉冲测试方法的测试过程如图2所示，由该过程可知该方法并没有把续 流二极管的测试放在一个重要的位置，其是在第二个脉冲的上升沿测试续流二极管的关断 特性的，而此时功率器件并非工作在额定电流。而且双脉冲测试方法只有较小的电感负载， 电流上升极快，在第二个脉冲下降沿电流就已经上升到设计额定值。由于额定工作时间极 短，只能测试到IGBT在额定电流处的关断特性，并不能对IGBT额定工作点处的开通特性测 量到，并且只能测量到一个关断波形，不能进行额定工作点附近的开关特性对比。同时，双 脉冲测试需要对脉冲宽度进行设计，需要特殊的脉冲发生装置，不能直接进行实际工况的 模拟运行。显然，由于双脉冲测试方法存在的以上缺点，已经不能对SiC IGBT串联阀组进 行有效的测试。
[0007] 在SiC IGBT串联阀组中，SiC续流二极管的特性非常重要，其不仅影响本身的过 压过流情况，而且会影响对管IGBT的过压过流情况，因此必须对其设计新的具有针对性的 测试方法。
【发明内容】
[0008] 本发明目的是：为了克服现有双脉冲测试方法不能完全适应SiC IGBT串联阀组 的测试的情况，提出一种SiC IGBT串联阀组动态均压特性和反向恢复特性的测试方法及测 试电路。
[0009] 具体地说，本发明公开的SiC IGBT串联阀组动态均压特性和反向恢复特性的测试 方法，是采用以下技术方案实现的，包括以下步骤： 1) 将被测SiC IGBT串联阀组连接到测试电路中，所述测试电路包括母线电容、电阻、电 抗、开关和外充电回路，所述被测SiC IGBT串联阀组为2组，每组被测SiC IGBT串联阀组 均由多个SiC IGBT直接串联而成，2组被测SiC IGBT串联阀组同向串联构成被测单元，被 测单元与母线电容并联，电阻和电抗串联构成功率负载单元，所述开关为2个，功率负载单 元的一端连接在2组被测SiC IGBT串联阀组之间、另一端分别通过1个开关连接到母线电 容的两端，外充电回路用于给母线电容进行充电并能在完成充电后与母线电容断开； 2) 选择1组被测SiC IGBT串联阀组作为测试动态均压特性的被测阀组，另1组被测 SiC IGBT串联阀组相应作为测试反向恢复特性的被测阀组； 3) 设定数据监测点，包括测试动态均压特性的被测阀组中每个SiC IGBT两端的电压和 过压尖峰峰值大小与尖峰时间以及该被测阀组的电流，以及流过测试反向恢复特性的被测 阀组的电流、该被测阀组两端的电压、电压及电流尖峰峰值大小与尖峰时间和该被测阀组 中续流二极管的反向恢复时间； 4) 闭合与测试反向恢复特性的被测阀组相连的开关，断开与测试动态均压特性的被测 阀组相连的开关，用外充电回路给母线电容进行充电，完成充电后断开外充电回路； 5) 向测试动态均压特性的被测阀组施加持续的固定频率的脉冲信号，通过功率负载单 元对母线电容进行放电，使得功率负载单元的负载电流先缓慢增大后缓慢减小，在母线电 压压降在测试动态均压特性的被测阀组的额定工作电压值的±10%以内时让功率负载单 元的负载电流的峰值达到测试动态均压特性的被测阀组的额定工作电流值，直至母线电容 上储存的电能全部释放，其中脉冲信号的频率设定要使得在测试动态均压特性的被测阀组 下一次开通时测试反向恢复特性的被测阀组的续流过程尚未结束，且在功率负载单元的负 载电流在测试动态均压特性的被测阀组的额定工作电流值±5%范围内时脉冲数不少于5 个； 6) 将监测的数据放入同一坐标系中进行对比分析，完成测试动态均压特性的被测阀组 的动态均压特性分析和测试反向恢复特性的被测阀组的反向恢复特性分析； 7) 将本轮测试动态均压特性的被测阀组作为下一轮测试反向恢复特性的被测阀组， 本轮测试反向恢复特性的被测阀组作为下一轮测试动态均压特性的被测阀组，重复步骤 3) -6)进行下一轮测试，从而完成每组被测阀组的动态均压特性和反向恢复特性的全部分 析，结束本方法。
[0010] 上述方法的进一步特征在于，所述开关为空气开关。
[0011] 本发明公开的用于SiC IGBT串联阀组动态均压特性和反向恢复特性测试的测试 电路，是采用以下技术方案实现的：包括母线电容、电阻、电抗、开关和外充电回路，被测SiC IGBT串联阀组为2组，每组被测SiC IGBT串联阀组均由多个SiC IGBT直接串联而成，2组 被测SiC IGBT串联阀组同向串联构成被测单元，被测单元与母线电容并联，电阻和电抗串 联构成功率负载单元，所述开关为2个，功率负载单元的一端连接在2组被测SiC IGBT串 联阀组之间、另一端分别通过1个开关连接到母线电容的两端，外充电回路用于给母线电 容进行充电并能在完成充电后与母线电容断开。
[0012] 上述测试电路的进一步特征在于，所述开关为空气开关。
[0013] 本发明的有益效果如下：本发明中的测试方法从IGBT直接串联应用中所紧密相 关的动态特性出发，基于双脉冲测试方法，并通过一些改进措施，弥补双脉冲测试方法的不 足，使得其能够适应SiC IGBT串联阀组的测试。将双脉冲测试电路中的感性负载改为阻感 负载，通过合理的设计，使得负载电流先缓慢增大后缓慢减小，其峰值达到被测阀组的额定 工作电流值，从而保证在测试时有一个较长的额定工作区域，可以在额定工作区域里面观 察多个额定工作点附近的情况，不仅是IGBT的开通关断特性，而且还有续流二极管的开通 关断特性，还可以在整个测试过程中观察电压电流过冲情况，对其变化特点进行一定的掌 握，方便观察其变化规律。测试时使用定频多脉冲方法获得持续动态过程，能够快速对SiC IGBT串联阀组所关心的动态均压特性和反向恢复特性进行快速准确的测量。本发明的测试 方法可同时对两个串联阀组进行测量，分别进行不同的测试内容，在单次测量内，可实现在 不同的电压电流工况（电压从大变小，电流从小变大，再变小）下，完成对动态均压特性和反 向恢复特性的变化进行持续监测，连续进行两次，完成一次测试过程，且不需要特殊的脉冲 发生装置，一个简单的控制系统即可满足要求。
【附图说明】
[0014] 图1为双脉冲测试法的原理图。
[0015] 图2为双脉冲测试法的驱动脉冲及电压电流波形示意图。
[0016] 图3为本发明测试电路的原理图。
[0017] 图4为本发明SiC IGBT串联阀组（阀臂）的结构示意图。
[0018] 图5为本发明SiC IGBT串联阀组（阀臂)驱动脉冲及上半桥臂、下半桥臂电压电流 波形示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。
[0020] 实施例1 :该实施例的用于SiC IGBT串联阀组动态均压特性和反向恢复特性测试 的测试电路原理如图3所示。图3中，C为母线电容，Gl和G2为同时测量的两个IGBT串联 阀组，Gl为上半阀臂，G2为下半阀臂。Sl和S2为空气开关，电阻R和电抗L构为功率负载 单元。Gl和G2的具体结构如图4所示，皆为多个SiC IGBT直接串联而成。Gl和G2同向 串联构成被测单元，并与母线电容C并联。功率负载单元的一端连接在Gl和G2之间、另一 端分别通过Sl和S