IGBT的短路测试(Short-circuit Test)

前言

我们说，IGBT的双脉冲实验和短路实验一般都会在一个阶段进行，但是有的时候短路测试会被忽略，原因有些时候会直接对装置直接实施短路测试，但是此时实际上并不是彻底和充分的。常见的情况有：

①没有进行IGBT短路实验

觉得这个实验风险太大，容易炸管子，损失太大或者觉得短路时电流非常大，这样很恐怖。

②进行了短路测试

但是测试时候的判断标准较简单，对IGBT的短路行为没有进行较为仔细的观察和考证。

这样做可能会导致后期装置出现由于IGBT短路相关导致的故障时，排查和处理起来较为麻烦，所以在使用起初，认真地对IGBT进行短路测试是非常必要。

短路分为两种：

桥臂内短路(直通)：

我们称之为“一类短路”，一般为桥臂直通导致的，硬件或软件失效造成的，此时短路回路中的电感量很小(100nH)，一般我们会采用VCE(sat)检测来实现短路保护。

桥臂间短路(大电感短路)：



我们称之为“二类短路”，一般为相间短路或者是相对地短路，此时短路回路中的电感较大(uH级别)，可以使用VCE(sat)检测或是使用霍尔检测电流变化来实现短路保护，这类短路中的电感量是不确定的。

一般我们所说的短路测试是针对桥臂内短路情形来说的，下面就让我们来了解下IGBT的短路测试到底是什么样的。

2、短路测试

“一类短路”的短路测试平台示意图如下：

电网电压经过调压器和接触器，将母线电容电压充到所需要的值，再断开接触器。上管IGBT的门极被关断，且上管用粗短的铜排进行短路。对下管IGBT释放一个单脉冲，直通就形成了。

短路测试中需要注意以下事项：

①该测试的关注对象是电容组，母排，杂散电感，被测IGBT；

②短路回路中的电感量很低，所以上管的短路排的电感量可以极大地影响测量的结果，因此绝不可忽视图中所示“粗短铜排”的长短和粗细(当然，这里不一定非得使用铜排，电感量很低的导线也是可以的)；

③短路测试的能量全部来自母排电容组，通常来说，虽然短路电流很大，但是因为时间极短，所以这个测试所消耗的能量很小，实验前后电容上的电压不会有明显变化；

④上管IGBT是被一直关断的，但是这个器件不可或缺，因为下

管被关断后，短路电流还需要由上管二极管续流；

⑤该测试需要测量三个物理量，分别是，下管的Vce，Vge，及Ic；

⑥电流探头需要测量图中Ic的位置，而不是短铜排的电流，这两个位置的电流波形是不同的；

⑦下管IGBT的脉冲需要严格控制，最开始实验可以使用10us，然后逐步增加；

⑧环境温度对实验结果有较大的影响，通常datasheet给出的高结温的结果；对应用者而言，常温实验是比较现实的；但低温时的短路测试会比较苛刻，如果系统规格有低温要求时，是有必要进行测试的；

⑨在此实验前需要对直流母排的杂散电感有一定的评估，或者用双脉冲测试方法对IGBT关断时的电压尖峰进行评估，以把握好短路时的电压尖峰，这个值可能会非常高；

短路测试步骤：

⑴在弱电情况下，确认所发单脉冲的宽度；

⑵将母线电压调至20~30V，发送一个单脉冲，此时也会发生短路，会有一定的电流，利用此步骤确认电流探头的方向及其他各物理量测量正确，同时确认示波器能正确捕捉该瞬间；这个步骤会比较安全；

⑶短路测试时，母线不宜过低，否则可能会见到一些奇异的震荡；对于1200V的IGBT，母线为500V起；1700V的IGBT，母线为700V起；3300V的IGBT，1000V起；(最近遇到一个问题：在做1000A/1700VIGBT模块短路测试时，母线电压加到900V时，模块发生失效，暂时还没有找到具体原因，等找到原因会再分享出来的)。

⑷母线加到额定点，将进线接触器断开，放出单脉冲，装置会发出“咚”的一声响，确认示波器捕捉到该时刻；

⑸通常来说，如果一切都设置正确的话，短路测试是很容易成功的，但也可能由于某些细节没有处理好，存在一定的几率，该测试会失败——这个IGBT会失效，并将电容的能量全部放掉，一般不会爆炸得很厉害；

⑹第一次发10us的脉冲实际上是一种尝试性测试，其目的是，在尽量低风险的情况下，对设备的短路性能进行最初步的摸底；

⑺如果第一次10us测试已经发现波形有问题，则需要整改；

⑻如果第一次10us测试发现IGB没有发生退饱和现象，则可能意味着短路回路电感量太大，需要整改；

⑼如果第一次10us测试发现波形正常，可以脉冲延长至12us，再做，再延长到15us，再做，如果发现驱动器释放出来的脉冲不再增长，则意味着驱动器对IGBT进行了保护，否则，意味着驱动器保护电路设置有问题，需要整改；

实例简述

下图是某模块短路测试的实验结果：

ⅰ 用电流的上升率di/dt求出短路回路中的全部电感量，再减去之前测出的杂散电感，就能得到插入的铜排的感量；

ⅱ 关注短路电流的最高值，与datasheet中标注的值进行比较，是否过高，电流是否有震荡；

ⅲ 从IGBT退饱和算起，至电流被关断，期间的时间是否控制在10us内，这个条件是不可以妥协的；

ⅳ 短路电流的峰值与门极钳位电路有很大的关系，如果门极钳位性能不好，短路电流峰值会很高；(门极钳位电路出现的原因是因为米勒效应的存在，我们上篇文章有提到过，在IGBT短路时，米勒电容会影响门极电压，导致短路电流激增，使IGBT承担风险。越大容量的IGBT，米勒效应越强，门极钳位电路越重要！)

ⅴ 关注Vce电压，需要多久才退饱和，在关断时刻时，Vce电压尖峰有多高，是否存在危险，有源钳位是否动作；

ⅵ 门极电压的评判需要比较谨慎，因为这个测试di/dt及du/dt都很大，门极探头很容易测不准。

第二种测试方法

下图是第二种测试方法：



给上管IGBT驱动器一个常高信号，使上管保持开通，再给下管发单脉冲。这个实验的优点是，确保短路回路中的电感量就是直流母线的杂散电感，足够低。当然，这可能谈不上是第二种方法，只是优化了短路实现的条件，将上面的“粗短铜排”的电感带来的影响消除了。


上面提到最近实验中遇到的一个问题，就是测1000A/1700V模块时，母线加到900V时模块失效，失效时的波形如下：



我们可以看到，此时的电流Ic瞬间冲得很高，门极电压也很大，伴随的现象是，门极驱动电路那块发生了严重的烧毁，具体原因还在分析。