基于虚拟仪器的IGBT自动测试系统

　　摘 要: 设计了基于虚拟仪器的IGBT参数自动测试系统" title="测试系统">测试系统 。针对IGBT不同的参数，设计了不同的测试电路" title="测试电路">测试电路 ，利用数据采集卡和示波器采集IGBT的各项参数，并在计算机上显示出来。采用LabVIEW软件作为系统开发工具，设计了完整的测试界面，能实现测试电路切换、测试参数采集和显示等功能。
　　关键词: IGBT; 虚拟仪器; LabVIEW; 测试; 数据采集

　　绝缘栅双极晶体管IGBT兼有功率MOSFET的高速性能和双极型功率晶体管的低电阻性能，在大功率工业自动化应用中作为一种理想的功率开关器件，对降低能源功耗起着极其重要的作用^[1]。
　　IGBT的应用日益广泛，而目前国内还没有IGBT的制造技术。为促进IGBT的国产化，首先必须具备完善的IGBT参数测试系统。目前国外的测试方法是没有文献可以参考的，而国内的一些文献主要介绍的都是IGBT的基本测试方法^[2-3]，没有介绍相关测试系统，且大多测试参数是通过示波器和万用表直接读出。由于要测试的参数比较多，且不同的参数需要不同的测试电路，因此不能实现快速准确的测量。本文提出了基于虚拟仪器的测试方法，所有的参数都通过软件界面显示出结果，测试电路的切换也通过软件直接实现，实现了快速准确的测试系统。
1 IGBT测试系统的硬件构成
　　IGBT的测试系统框图如图1所示。该系统主要完成电源供电、测试电路切换和数据采集及处理的功能。该系统能够测量型号为600V/150A、1 200V/75A、600V/400A和1 200V/300A的IGBT模块。可以测试的参数包括栅极－发射极阈值电压、集电极" title="集电极">集电极 －发射极截止电流、集电极－发射极饱和电压、IGBT开通关断" title="关断">关断 时间以及续流二极管的恢复时间" title="恢复时间">恢复时间 等。

1.1 直流供电系统
　　系统提供了0～1 200V的可调直流电源，通过220V交流电升压整流滤波得到。在测试时，针对不同型号的IGBT，集电极与发射极间应施加不同的直流电压。为栅极驱动供电的则为程控可调直流供电电源，采用GPIB总线实现与计算机的通信，选择可调电源是栅极阈值电压测试时所必需的。
1.2 IGBT测试电路
　　IGBT的测试电路主要由栅极驱动电路、保护电路、负载电路和信号调理电路组成。
1.2.1 栅极驱动器的选择
　　不同型号的IGBT，其驱动电路也有所不同，测试过程中IGBT的驱动器是可以更换的。设计中选择了富士公司生产的EXB系列集成驱动器EXB850和EXB851，分别用于驱动型号为600V/150A、1 200V/75A、600V/400A和1 200V/300A的IGBT。对于漏电流的测试不需要加驱动电路。
　　选择适当的栅极串联电阻对IGBT栅极驱动相当重要。IGBT的开通和关断通过栅极电路的充放电实现，因此栅极电阻值将对IGBT的动态特性产生极大的影响。在使用时应该根据IGBT的电流容量和电压额定值以及开关频率选择栅极电阻。设计中IGBT的栅极电阻设置了4个档，分别是5Ω、10Ω、20Ω和一个空档。
1.2.2 保护电路
　　为了防止在IGBT测试过程中由于过压、过流、过热等引起的IGBT损坏，设计了IGBT的各种保护电路。如栅极过压保护，在栅极与发射极间并联一只10kΩ的电阻；为防止集电极发射极间过电压，在集电极和发射极两端并接了RC缓冲电路；选择的EXB系列驱动器具有过流保护功能；测试IGBT安装在散热器上，并利用温度传感器检测散热器的温度，当超过允许温度时将使测试电路停止工作^[4]。
1.2.3 负载电路
　　负载电路包括感性负载和阻性负载。通常情况下动态参数的测试以阻性负载进行，但也应考虑感性负载测试的可能性。本设计中把两种负载都考虑在内。感性负载对电路的保护要求更高，IGBT关断速度越快，电路电感也越大，关断瞬间电压值就越高。
1.2.4 信号调理电路
　　信号调理电路实现隔离、滤波和将采集的信号转换到采集卡能承受的范围内。该测试系统中有部分参数电压范围超出了采集卡的电压范围，所以必须要设计相应的降压电路。
1.3 IGBT测试参数及基本测试方法
　　IGBT的测试参数包括栅极－发射极阈值电压、集电极－发射极截止电流、集电极－发射极饱和电压、IGBT开通关断时间以及续流二极管的恢复时间等^[5]。这些参数的测试方法符合国标GB/T17007-1997的标准，但部分参数的测试方法有所差异和改进。
　　（1）栅极－发射极阈值电压VGE(TO)测试:由电压源对被测器件施加规定的集电极-发射极电压;从零开始逐渐增加栅极－发射极间的电压,当检测到集电极电流达到规定值时，此时的栅极电压值即为栅极－发射极阈值电压。
　　（2）栅极－发射极漏电流IGES测试:
集电极-发射极间短路;由电压源对被测器件施加规定的栅极－发射极电压,这时通过栅极－发射极回路的电流即为栅极－发射极漏电流。
　　（3）集电极-发射极截止电流ICES测试:栅极-发射极短路;由电压源对被测器件施加规定的集电极-发射极电压,这时通过集电极-发射极回路的电流即为集电极-发射极截止电流。
　　（4）集电极-发射极饱和电压VCE(sat)测试:由电压源对被测器件施加规定幅值和脉宽的栅极电压;调节集电极－发射极电流至规定值,这时相对栅极脉冲稳定部分的集电极-发射极电压即为集电极-发射极饱和电压值。
　　（5）开通时间ton测试:由电压源对被测器件施加规定幅值、脉宽及上升率的栅极电压;调节集电极电流至规定幅值,开通时间是指开通延迟时间与集电极电流上升时间之和。
　　（6）关断时间toff测试:关断时间测试包含阻性负载和感性负载的测试。在相应的阻性负载或感性负载条件下,对被测器件施加规定幅值和脉宽的栅极电压;调节集电极电流至规定值,然后施加规定幅值、脉宽及下降率的反向栅极电压,关断时间是指关断延迟时间与电流下降时间之和。
　　（7）恢复时间测试:用于测量IGBT上反向续流二极管的恢复时间。首先在二极管上施加规定幅值的电流,经过一定时间后施加一个反向电流使其关断，同时施加规定幅值的反向电压, 按照图2中的定义即可测得二极管的恢复时间。

1.4 IGBT测试参数的数据采集
　　该系统选取的数据采集卡是NI公司的PCI－6024E，该型号采集卡具有2路模拟输出通道，8路数字I/O通道，200kS/s的采样率，输入电压范围±10V，用于采集测试的大部分参数并检测保护状态。由于要测试的项目比较多，不同的测试项目对应不同的测试电路，因此，另选取了一块数字I/O卡PCI－6514，它含有32路数字输入和32路数字输出，用于向测试电路发送通断控制信号，实现测试电路的切换。
　　在进行开关时间测试和恢复时间测试时，需要采集的波形包括集电极电流IC、栅极－发射极间电压UGE、集电极－发射极间电压UCE。这些参数的值都比较大，用采集卡来采集这些参数需设计降压电路且测试的误差会比较大。故设计中使用示波器直接采集这些波形，并通过GPIB总线，实现示波器与计算机的通信，通过LabVIEW软件接收来自示波器的波形，利用LabVIEW的数据处理功能，通过软件编程计算出所测的时间参数。
2 IGBT综合参数测试系统软件设计
　　IGBT的虚拟仪器测试系统软件实现对测试系统的控制，完成整个系统的自动化过程。主要实现向测试电路发送控制信号、采集测试数据和波形、处理采集数据、显示最终结果的功能。该虚拟测试系统的软件是分模块实现的，主要模块有系统登录模块、系统自检模块、栅极－发射极阈值电压测试模块、集电极－发射极截止电流测试模块、集电极－发射极饱和电压测试模块、IGBT开通关断时间测试模块以及续流二极管的恢复时间测试模块。
　　系统软件编程工具采用NI的LabVIEW8.0，系统最终的测试界面如图3所示。开始测试前应对系统进行自检；测试过程中如果有过压、过流、过热等现象，系统会即刻报警并停止测试。对于没有并联续流二极管的IGBT则不需要进行恢复时间测试。
设计中，除开关时间和恢复时间外的其他参数都是通过PCI－6024E采集卡经必要的降压滤波等电路后直接测得，然后在LabVIEW中进行必要的放大等处理就可以直接得出测试结果。对于时间参数，则利用示波器与计算机通信，用LabVIEW接收示波器采集的波形和数据。关于示波器与LabVIEW的通信方法可参考文献[6]。

　　基于虚拟仪器的IGBT测试系统改变了传统的采用示波器读取测试参数的方法，实现了测试的快速性和精确性。该系统具有极强的扩展性，通过改变母线直流供电电源、更换IGBT驱动器等措施就可以对更多型号的IGBT进行测试。实际的IGBT测试需要进行常温测试和高温测试，本系统目前只适合在常温下测试，对于高温测试系统中的保护和负载电路还有待进一步研究，测试电路在驱动和滤波等方面还需有所改进。

参考文献
[1] 周志敏，周纪海，纪爱华.IGBT和IPM及其应用电路[M].北京：人民邮电出版社，2006.
[2] 张岐宁，王晓宝.IGBT模块的测试[J].电力电子技术，2005，39(1)：112-114.
[3] 张秀澹.IGBT特性的测量方法[J].电力电子技术，1997,(1)：68-70.
[4] 杨斌文，胡浩，张建.IGBT的有关保护问题[J].电气开关，2006,(1)：7-9.
[5] GB/T 17007-1997绝缘栅双极型晶体管测试方法.

[6] 葛李，李扬,郑盈娜.基于GPIB总线技术的计算机集成测试系统设计[J].现代电子技术,2003,(11)：58-60.