一种IGBT导通损耗测试电路及系统

技术领域

本申请涉及微电子技术领域，具体而言，涉及一种IGBT导通损耗测试电路及系统。

背景技术

高压绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)在开关工作状态时，经历较高频率的高低压工作状态转换。在导通工作状态下，IGBT的发射极与集电极间流过较大电流，会产生较大的功率损耗，此损耗与流过IGBT的电流大小、占空比、IGBT结温及不同驱动电压相关，准确测量此导通损耗，可以对IGBT长期工作可靠性做出更准确判断，以及对同一电路中，不同的IGBT替换后性能对比做出更准确的评估。

有鉴于此，如何准确测量IGBT的导通损耗，是本领技术人员需要解决的一大问题。

发明内容

本申请提供一种IGBT导通损耗测试电路及系统，能够准确测出IGBT的导通损耗。

第一方面，本申请实施例提供一种IGBT导通损耗测试电路，包括：

脉冲信号单元、驱动单元、开关速度调节单元、待测单元、钳位电路和测试单元；

脉冲信号单元与驱动单元的一端连接，驱动单元的另一端与开关速度调节单元的一端连接，开关速度调节单元的另一端与待测单元连接，待测单元的另一端与钳位电路连接；

脉冲信号单元用于提供脉冲信号；

驱动单元用于放大脉冲信号，并将放大后的脉冲信号通过开关速度调节单元传输至待测单元以驱动待测单元；

开关速度调节单元用于控制待测单元的导通速度和关断速度；

钳位电路用于提供待测单元的低压检测环境；

测试单元与待测单元和钳位电路连接，测试单元用于测试待测单元的导通损耗。

在一种可能的实施方式中，脉冲信号单元包括时基电路芯片、第一电位器、第一开关、第一电容、第二电容和第三电容；

时基电路芯片分别与第一电位器、第一开关、第一电容、第二电容和第三电容连接；

第一电位器的一端与第一开关和第二电容连接；

第一电位器的另一端、第三电容和时基电路芯片分别与供电电压连接；

第一开关、第二电容和第三电容远离第一电位器的一端接地，第一电容远离时基电路芯片的一端接地。

在一种可能的实施方式中，时基电路芯片包括接地端、触发输入端、输出端、复位端、控制电压端、阈值端和电源正端；

接地端与地连接；

触发输入端与第一电位器、第一开关和第二电容的一端以及阈值端连接；

输出端与开关速度调节单元连接；

复位端、第一电位器的另一端、第三电容的一端以及电源正端与供电电压连接；

控制电压端与第一电容的一端连接。

在一种可能的实施方式中，驱动单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电容、第一三极管、第二三极管、第三三极管和第四三极管；

第一电阻的一端与供电电压连接，另一端与第一三极管的基极连接；

第二电阻的一端与供电电压连接，另一端与第一三极管的集电极以及第二三极管的基极连接；

第三电阻的一端与供电电压连接，另一端与第二三极管的集电极、第三三极管的基极以及第四三极管的基极连接；

第三三极管的集电极与供电电压连接；

第三三极管的发射极以及第四三极管的发射极分别与开关速度连接单元连接；

第一三极管的发射极、第二三极管的发射极和第四三极管的集电极接地，第一三极管的基极与脉冲信号单元连接；

第四电容的一端与供电电压连接，另一端接地。

在一种可能的实施方式中，开关速度调节单元包括第四电阻、第五电阻和第一二极管；

第四电阻与第一二极管串联；

第五电阻与第四电阻以及第一二极管并联；

第五电阻的一端与第四电阻的一端与驱动单元连接；

第五电阻的另一端与第一二极管与待测单元连接。

在一种可能的实施方式中，待测单元包括待测管、第二电位器、第六电阻和第五电容；

待测管的基极与开关速度调节单元连接；

待测管的集电极、第二电位器的一端以及第五电容的一端与钳位电路连接；

待测管的发射极与第六电阻的一端接地；

第六电阻的另一端与第五电容的另一端连接；

第二电位器的另一端与高压供电电压连接。

在一种可能的实施方式中，钳位电路包括第七电阻、第二二极管和第三二极管；

第七电阻通过第二二极管与第三二极管连接；

第七电阻的一端与高压供电电压连接，第三二极管的一端接地。

在一种可能的实施方式中，第三二极管为稳压二极管。

在一种可能的实施方式中，测试单元包括电流探头、电压探头和显示屏；

电流探头与待测单元连接，用于采集测试电流；

电压探头与钳位电路连接，用于采集测试电压；

显示屏用于显示测试电流对应的波形和测试电压对应的波形。

第二方面，本申请实施例提供一种IGBT导通损耗测试系统，包括电源与第一方面至少一种可能的实施方式中的IGBT导通损耗测试电路，电源用于提供供电电压和高压供电电压。

相比现有技术，本申请提供的有益效果包括：本申请公开了一种IGBT导通损耗测试电路及系统，包括：脉冲信号单元、驱动单元、开关速度调节单元、待测单元、钳位电路和测试单元；脉冲信号单元与驱动单元的一端连接，驱动单元的另一端与开关速度调节单元连接，开关速度调节单元的另一端与待测单元连接，待测单元的另一端与钳位电路连接；脉冲信号单元用于提供脉冲信号；驱动单元用于将放大后的脉冲信号通过开关速度调节单元传输至待测单元以驱动待测单元；开关速度调节单元用于控制待测单元的导通速度和关断速度；钳位电路用于提供待测单元的低压检测环境；测试单元与待测单元和钳位电路连接，测试单元用于测试待测单元的导通损耗，通过上述设置，能够准确地获取待测单元的导通损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的IGBT导通损耗测试电路的结构示意框图；

图2为本申请实施例提供的IGBT导通损耗测试电路的整体结构示意图；

图3为本申请实施例提供的IGBT导通损耗测试电路在示波器上的测试结果示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的具体实施方式进行详细说明。

目前，IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具备MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,金属-氧化物半导体场效应晶体管)的高输入阻抗和GTR(Giant Transistor，电力晶体管)的低导通压降两方面的优点，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统，如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。想要准确地对IGBT的工作状态进行评估，测试IGBT的导通损耗十分关键。为了解决前述背景技术中的技术问题，图1为本申请实施例提供的IGBT导通损耗测试电路的结构示意框图，下面对该GBT导通损耗测试电路进行详细介绍。

本申请实施例提供一种IGBT导通损耗测试电路，包括：脉冲信号单元10、驱动单元20、开关速度调节单元30、待测单元40、钳位电路50和测试单元60。脉冲信号单元10与驱动单元20的一端连接，驱动单元20的另一端与开关速度调节单元30的一端连接，开关速度调节单元30的另一端与待测单元40连接，待测单元40的另一端与钳位电路50连接。脉冲信号单元10用于提供脉冲信号。驱动单元20用于放大脉冲信号，并将放大后的脉冲信号通过开关速度调节单元30传输至待测单元40以驱动待测单元40。开关速度调节单元30用于控制待测单元40的导通速度和关断速度。钳位电路50用于提供待测单元40的低压检测环境。测试单元60与待测单元40和钳位电路50连接，测试单元60用于测试待测单元40的导通损耗。

在本申请实施例中，通过上述设置，能够实现由脉冲信号单元10产生脉冲信号，并将脉冲信号发送至驱动单元20，由驱动单元20进行逐级放大，使得放大后的脉冲信号能够通过开关速度调节单元30发送至待测单元40，以驱动待测单元40。在检测过程中，由于IGBT导通后压降极低，而关断后承受电压极高，可接近其Vces(IGBT的基极到发射极的最大导通电压，600V～1200V)水平。相关技术中使用高压探头(量程1300v以上)进行测量，由于精度限制，测量IGBT导通后的电压存在较大误差。而采用本申请提供的方式增加了钳位电路50，可以使用低压高精度探头对IGBT导通后电压进行准确测量，而IGBT关断后高压可由钳位电路50调控至较低电压水平，不会超过低压探头的量程，以此来准确地确定出测试电压的大小，进而能够准确地测试出IGBT的导通损耗。

请结合参考图2，在一种可能的实施方式中，脉冲信号单元10包括时基电路芯片U1、第一电位器RP1、第一开关KEY1、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3。时基电路芯片U1分别与第一电位器RP1、第一开关KEY1、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3连接。第一电位器RP1的一端与第一开关KEY1和第二电容C2连接。第一电位器RP1的另一端、第三电容C3和时基电路芯片U1分别与供电电压连接。第一开关KEY1、第二电容C2和第三电容C3远离第一电位器RP1的一端接地，第一电容C1远离时基电路芯片U1的一端接地。

脉冲信号单元10可以由时基电路芯片U1为基础构成，同时可以由第一开关KEY1控制脉冲信号输出，通过第一电位器RP1控制其脉冲宽度。通过上述电路设置，构成了能够发送脉冲信号的脉冲信号单元10，由时基电路芯片U1将脉冲信号发送至驱动单元20。

在一种可能的实施方式中，时基电路芯片U1包括接地端GND、触发输入端TRIG、输出端OUT、复位端RESET、控制电压端CONT、阈值端THRES和电源正端VCC。接地端GND与地连接。触发输入端TRIG与第一电位器RP1、第一开关KEY1和第二电容C2的一端以及阈值端THRES连接。输出端OUT与开关速度调节单元30连接。复位端RESET、第一电位器RP1的另一端、第三电容C3的一端以及电源正端VCC与供电电压连接。控制电压端CONT与第一电容C1的一端连接，应当理解的是，DISCH为放电端。

为了能够清楚的描述本申请实施例提供的方案，时基电路芯片U1可以是HA17555芯片，第一电容C1和第二电容C2的类型可以是普通电容，第三电容C3的类型可以是电解电容。可以由时基电路的输出端OUT输出前述的脉冲信号至驱动单元20。

在一种可能的实施方式中，驱动单元20包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电容C4、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3和第四三极管Q4。第一电阻R1的一端与供电电压连接，另一端与第一三极管Q1的基极连接。第二电阻R2的一端与供电电压连接，另一端与第一三极管Q1的集电极以及第二三极管Q2的基极连接。第三电阻R3的一端与供电电压连接，另一端与第二三极管Q2的集电极、第三三极管Q3的基极以及第四三极管Q4的基极连接。第三三极管Q3的集电极与供电电压连接。第三三极管Q3的发射极以及第四三极管Q4的发射极分别与开关速度调节单元30连接。第一三极管Q1的发射极、第二三极管Q2的发射极和第四三极管Q4的集电极接地，第一三极管Q1的基极与脉冲信号单元10连接。第四电容C4的一端与供电电压连接，另一端接地。

为了能够使得由脉冲信号单元10发送的脉冲信号足以驱动待测单元40，可以采取上述方式对脉冲信号进行多级放大，以提供足够的功率驱动待测单元40处于导通或者关断工作状态。其中，第一三极管Q1、第二三极管Q2和第三三极管Q3可以是NPN三极管，第四三极管Q4可以是PNP三极管，第四电容C4可以是1微法拉(u)的电解电容，放大后的脉冲信号经过第三电容C3的发射极以及第四三极管Q4的发射极传递至开关速度调节单元30。

在一种可能的实施方式中，开关速度调节单元30包括第四电阻R4、第五电阻R5和第一二极管D1。第四电阻R4与第一二极管D1串联。第五电阻R5与第四电阻R4以及第一二极管D1并联。第五电阻R5的一端以及第四电阻R4的一端分别与驱动单元20连接。第五电阻R5的另一端和第一二极管D1与待测单元40连接。

在本申请实施例中，为了能够达到待测单元40的测试状态，可以通过调整第五电阻R5的阻值改变待测单元40的导通速度，还可以通过调整第四电阻R4的阻值改变待测单元40的关断速度。在经过第四电阻R4和第五电阻R5的速度调整后，可以将由驱动单元20放大的驱动信号发送给待测单元40。

在一种可能的实施方式中，待测单元40包括待测管IGBT、第二电位器RP2、第六电阻R6和第五电容C5。待测管IGBT的基极与开关速度调节单元30连接。待测管IGBT的集电极、第二电位器RP2的一端以及第五电容C5的一端与钳位电路50连接。待测管IGBT的发射极与第六电阻R6的一端接地。第六电阻R6的另一端与第五电容C5的另一端连接。第二电位器RP2的另一端与高压供电电压HV+连接，第六电阻的阻值大小可以是1000欧姆。

在本申请实施例中，可以由IGBT的基极接收来来自开关速度调节单元30发出的脉冲信号，并经由IGBT的集电极输出。第五电容C5可以是0.1u大小的普通电容。

在一种可能的实施方式中，钳位电路50包括第七电阻R7、第二二极管D2和第三二极管D3。第七电阻R7通过第二二极管D2与第三二极管D3连接。第七电阻R7的一端与高压供电电压连接，第三二极管D3的一端接地，第三二极管D3为稳压二极管。

在本申请实施例中，钳位电路50的设置可以实现使用低压高精度探头，对IGBT导通后电压进行准确测量，而IGBT关断后高压可由D2钳位至较低电压水平，不会超过低压探头的量程。

在一种可能的实施方式中，测试单元60包括电流探头、电压探头和显示屏。电流探头与待测单元40连接，用于采集测试电流。电压探头与钳位电路50连接，用于采集测试电压。显示屏用于显示测试电流对应的波形和测试电压对应的波形。

请结合参阅图3，在本申请实施例中，测试单元60的电流探头可以位于IGBT的集电极与第五电容C5的连接处和第七电阻R7与第二电位器RP2的连接处之间，可以从该出采集得到测试电流，可以在第三二极管D3接地一端以及第二二极管D2与第七电阻R7之间进行测试电压的采集。值得说明的是，在本申请实施例中，可以利用示波器将测试电流对应的波形和测试电压对应的波形相乘，得到测试结果波形，可以对预设时间段(IGBT导通时间)的测试结果波形进行积分求值运算，得到IGBT关断损耗，及IGBT的导通损耗。在本申请实施例中，图3所示的示波器界面对应的测试结果波形求得的IGBT导通损耗为1.575mWs。

本申请实施例提供一种IGBT导通损耗测试系统，包括电源与前述至少一种可能的实施方式中的IGBT导通损耗测试电路，电源用于提供供电电压和高压供电电压。

综上所述，本申请提供的IGBT导通损耗测试电路及系统，使用脉冲式信号发生电路，产生一定宽度的方波脉冲，提供给驱动电路，由驱动电路放大后驱动IGBT，使IGBT由截止状态转换到导通状态，通过电压钳位电路后，由示波器测试其通态压降(测试电压)和导通电流(测试电流)，然后由示波器进行波形相乘同时对时间进行积分运算得出导通损耗。

出于说明目的，前面的描述是参考具体实施例而进行的。但是，上述说明性论述并不打算穷举或将本申请局限于所公开的精确形式。根据上述教导，众多修改和变化都是可行的。选择并描述这些实施例是为了最佳地说明本申请的原理及其实际应用，从而使本领域技术人员最佳地利用本申请，并利用具有不同修改的各种实施例以适于预期的特定应用。出于说明目的，前面的描述是参考具体实施例而进行的。但是，上述说明性论述并不打算穷举或将本申请局限于所公开的精确形式。根据上述教导，众多修改和变化都是可行的。选择并描述这些实施例是为了最佳地说明本申请的原理及其实际应用，从而使本领域技术人员最佳地利用本申请，并利用具有不同修改的各种实施例以适于预期的特定应用。