對(duì)于任何一個(gè)器件，在使用之前，無(wú)論是生產(chǎn)方還是使用方都會(huì)進(jìn)行充分的驗(yàn)證，以確定產(chǎn)品的性能是否符合相應(yīng)的需求。今天我們就來(lái)說(shuō)一說(shuō)有關(guān)IGBT的一項(xiàng)比較重要的測(cè)試——雙脈沖測(cè)試(Double Pulse Test)

當(dāng)然，網(wǎng)上可以找到很多關(guān)于IGBT雙脈沖測(cè)試的資料，不同廠家的都有，基本的測(cè)試過(guò)程都是差不多的，其目的也是一致的(為了驗(yàn)證IGBT的性能是否過(guò)關(guān))。雙脈沖測(cè)試的必要性在現(xiàn)在的行業(yè)中是顯而易見(jiàn)的，其決定了對(duì)應(yīng)的IGBT是否會(huì)被選用，也是使用者在選型之前的一道篩選手段。

雙脈沖測(cè)試的意義

①對(duì)比同一品牌不同型號(hào)或者同一型號(hào)不同品牌的IGBT的性能；

②獲取IGBT在開(kāi)關(guān)過(guò)程的主要參數(shù)，以評(píng)估Rgon及Rgoff的數(shù)值是否合適，評(píng)估是否需要配吸收電路等；

③考量IGBT在變換器中工作時(shí)的實(shí)際表現(xiàn)(例如二極管的反向恢復(fù)電流是否合適，關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰是否合適，開(kāi)關(guān)過(guò)程是否有不合適的震蕩等)。

一般IGBT的規(guī)格書(shū)中的參數(shù)是在特定條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)，不一定能夠代表實(shí)際應(yīng)用中的真實(shí)表現(xiàn)，這時(shí)候雙脈沖測(cè)試就顯示出了它的優(yōu)勢(shì)。也提醒我們，在使用IGBT的時(shí)候，不能夠過(guò)于依賴(lài)其Datasheet，要與實(shí)際應(yīng)用工況相結(jié)合，這樣才能更好地認(rèn)知。

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1. 高壓電源

2. 電容組

3. 疊層直流母排

4. 負(fù)載電感（可以自己繞制，不要飽和即可）

5. 被測(cè)IGBT及驅(qū)動(dòng)電路

6. 示波器（最好是4通道，高帶寬，帶函數(shù)功能，采樣點(diǎn)在200MS/s或以上）

7. 高壓差分電壓探頭(1000:1)

8. 羅氏線圈電流探頭

9. 可編程信號(hào)發(fā)生器或簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生裝置（發(fā)出一組雙脈沖信號(hào)）

平臺(tái)和基本原理

測(cè)試電路如下：

下管IGBT和上管反并二極管是被測(cè)對(duì)象(對(duì)于，IGBT模塊來(lái)說(shuō)，上下管都是要測(cè)的，這里只是以其中一個(gè)為例)。

用高壓隔離探頭取Vce；用羅氏線圈電流探頭取Ic；用普通探頭測(cè)量Vge。上管IGBT的門(mén)極加了負(fù)壓，所以上管的IGBT是關(guān)斷的，只有續(xù)流二極管起作用。

雙脈沖實(shí)驗(yàn)的基本波形(概念化的)：

基本原理：

①在t0時(shí)刻，門(mén)極放出第一個(gè)脈沖，被測(cè)IGBT飽和導(dǎo)通，電動(dòng)勢(shì)U加在負(fù)載L上，電感的電流線性上升，電流表達(dá)式為：I=Ut/L。

在t1時(shí)刻，電感電流的數(shù)值由U和L決定，在U和L都確定時(shí)，電流的數(shù)值由t1決定，時(shí)間越長(zhǎng)電流越大因此可以自主設(shè)定電流的大小。

②在t1時(shí)刻被測(cè)關(guān)斷，負(fù)載L的電流由上管二極管續(xù)流該電流緩慢衰減，如圖虛線所示。

由于電流探頭放在下管的發(fā)射極處，因此，在二極管續(xù)流時(shí)，IGBT關(guān)斷，示波器上是看不見(jiàn)該電流的。

③在t2時(shí)刻第個(gè)脈沖的上，二升沿到達(dá)，被測(cè)IGBT再次導(dǎo)通續(xù)流二極管進(jìn)入反向恢復(fù)，反向恢復(fù)電流會(huì)穿過(guò)IGBT，在電流探頭上能捕捉到這個(gè)電流，如圖所示。

在t2時(shí)刻，重點(diǎn)是觀察IGBT的開(kāi)通過(guò)程。反向恢復(fù)電流是重要的監(jiān)控對(duì)象，該電流的形態(tài)直接影響到換流過(guò)程的許多重要指標(biāo)。

④在時(shí)刻被測(cè)IGBT再次關(guān)斷，此時(shí)電流較大，因?yàn)槟妇€雜散電感的存在會(huì)產(chǎn)生，一定的電壓尖峰。

在t3時(shí)刻，重點(diǎn)是觀察IGBT的關(guān)斷過(guò)程電壓尖峰是重要的監(jiān)控對(duì)象。

下面是實(shí)測(cè)時(shí)的波形：

4

開(kāi)通過(guò)程

IGBT典型的開(kāi)關(guān)波形如下：

開(kāi)通過(guò)程：

當(dāng)門(mén)極電壓到達(dá)門(mén)檻值時(shí)，IGBT導(dǎo)通，Ic開(kāi)始增長(zhǎng)，直到Ic基本到達(dá)電感電流的數(shù)值，續(xù)流二極管進(jìn)入反向恢復(fù)后，IGBT的Vce才開(kāi)始下降，反向恢復(fù)過(guò)程結(jié)束后，續(xù)流二極管截止，Vce到達(dá)飽和值，換流過(guò)程完成。

實(shí)測(cè)的波形如下：

紅線:Ic；藍(lán)線:Vce；綠線V

需要注意的幾點(diǎn)是：

a. 二極管的反向恢復(fù)電流的di/dt，

b. 二極管的反向恢復(fù)電流的峰值，

c. 反向恢復(fù)后電流是否有震蕩，拖尾有多長(zhǎng)，

d. Vce電壓是否正確變化

e. 測(cè)算出損耗，(依賴(lài)示波器功能)

調(diào)整門(mén)極電阻Rgon可以強(qiáng)烈地影響該過(guò)程，用以確定Rgon的數(shù)值是否合適。

5

續(xù)流二極管

IGBT中的續(xù)流二極管是一個(gè)很重要的器件，我們要關(guān)注下面幾個(gè)問(wèn)題：

a. 在IGBT開(kāi)通的時(shí)刻，實(shí)際上是續(xù)流二極管關(guān)斷的時(shí)刻。

b. 所有的功率半導(dǎo)體，包括IGBT芯片和二極管芯片，在關(guān)斷的時(shí)刻面臨的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于其開(kāi)通時(shí)面臨的風(fēng)險(xiǎn)(換句話說(shuō)，在IGBT關(guān)斷的時(shí)刻，IGBT芯片的損壞風(fēng)險(xiǎn)是最大的；在IGBT開(kāi)通的時(shí)刻，二極管芯片的損壞風(fēng)險(xiǎn)是最大的)。。

c. IGBT芯片出現(xiàn)短路時(shí)，驅(qū)動(dòng)器可以幫忙保護(hù)；但二極管芯片損壞時(shí)，沒(méi)有其他的防護(hù)手段。

二極管風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)：

①安全工作區(qū)域(SOA)

下圖是二極管的安全工作區(qū)的示意圖和實(shí)測(cè)圖。實(shí)際上這是一條恒功率曲線。其意義是：二極管在反向恢復(fù)過(guò)程中，其瞬時(shí)功率不能超過(guò)規(guī)定的數(shù)值，否則就有損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

二極管在反向恢復(fù)的過(guò)程中，實(shí)際上是其工作點(diǎn)從導(dǎo)通過(guò)度到截止。其工作點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡有多種選擇，如右圖所示。顯然，軌跡A是最安全的，軌跡C則是危險(xiǎn)的。

②尖峰電壓

下圖表示的是二極管反向恢復(fù)時(shí)，實(shí)測(cè)的電壓及電流波形，同時(shí)利用示波器計(jì)算出瞬時(shí)損耗的波形。

圖中紅色線為二極管的瞬時(shí)功率，在二極管反向恢復(fù)電流達(dá)到最大值后，二極管的功率也達(dá)到最大值，如果此時(shí)二極管電壓尖峰明顯，則二極管損壞的風(fēng)險(xiǎn)將大大增加，因此雜散電感大小對(duì)二極管意義也很大。

二極管反向恢復(fù)電流上升時(shí)，雜散電感上產(chǎn)生的電壓是與母線電壓相抵的。反向恢復(fù)電流下降時(shí)，雜散電感電壓與母線電壓同向，電壓落在二極管上，二極管出現(xiàn)電壓尖峰，風(fēng)險(xiǎn)加大。如果雜散電感比較大，二極管就更加危險(xiǎn)了，容易跑出安全工作區(qū)。

二極管的電壓尖峰是由于雜散電感與二極管反向恢復(fù)電流的后沿

相作用而產(chǎn)生的。所以減小直流母排的雜散電感及優(yōu)化反向恢復(fù)

電流的后半沿的斜率都可以有效提高二極管的安全裕量。

③電流變化率di/dt

通常在IGBT的datasheet中，關(guān)于二極管的部分會(huì)注明反向恢復(fù)電流的最大的di/dt水平，通常不能超過(guò)這個(gè)數(shù)值，否則可能導(dǎo)致反向恢復(fù)電流震蕩。

二極管反向恢復(fù)電流的前沿的斜率受Rgon的影響很大，但反向恢復(fù)電流的后沿的形狀（即其下降的部分），主要由IGBT廠商設(shè)計(jì)出來(lái)的。在大功率的場(chǎng)合，通常需要追求的二極管的軟度。這主要體現(xiàn)在反向恢復(fù)電流的后沿的形狀。

關(guān)于二極管反向恢復(fù)特性，可以參考之前的文章

二極管反向恢復(fù)特性綜述

測(cè)量主電路雜散電感

利用開(kāi)通過(guò)程測(cè)量主電路雜散電感：

在IGBT開(kāi)通時(shí)，Ic開(kāi)始增長(zhǎng)，而此時(shí)上管IGBT的續(xù)流二極管處于反向恢復(fù)，該二極管沒(méi)有阻斷能力，上管Uce=0。

在Ic開(kāi)始增長(zhǎng)時(shí)，雜散電感上感應(yīng)的電壓的方向如圖所示，是與母線電壓相反的，所以此時(shí)在下管的Vce上測(cè)得的波形出現(xiàn)了一個(gè)缺口，如右圖波形中的虛線所示這個(gè)缺口。電壓產(chǎn)生的原因是雜散電感抵消了一部分母線電壓。也就是說(shuō)，缺口的電壓是雜散電感上的感應(yīng)電壓。

從示波器上讀出Us，再讀出di/dt，根據(jù)式子Us=Ls*di/dt就能算出雜散電感Ls的數(shù)值。

這個(gè)模型是比較準(zhǔn)確的因此得出的數(shù)據(jù)比較可靠

關(guān)斷過(guò)程

關(guān)斷波形如下圖所示：

關(guān)斷過(guò)程的關(guān)注點(diǎn)為Vce的電壓尖峰，它是直流母線雜散電感與di/dt的乘積，通過(guò)觀察這個(gè)尖峰，可以評(píng)估IGBT在關(guān)斷時(shí)的安全程度。

Vce尖峰一般都客觀存在，在短路或者過(guò)載時(shí)，這個(gè)尖峰會(huì)達(dá)到最高值，比正常工作時(shí)要高得多，通常可以使用有源鉗位電路(ActiveClamping)進(jìn)行抑制。

通常在大功率的IGBT的應(yīng)用中，有源鉗位的功能是非常必要的，而功率越小，必要性越低。其原因是隨著系統(tǒng)的功率變大，IGBT的di/dt會(huì)增大，且雜散電感也會(huì)越大，因此電壓尖峰會(huì)越高。在IGBT短路時(shí)，關(guān)斷短路電流的di/dt會(huì)更高，比關(guān)斷額定電流要

高很多，因此短路時(shí)電壓尖峰更高。所以有可能出現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)器發(fā)

現(xiàn)了IGBT的短路現(xiàn)象，并且也及時(shí)關(guān)斷，但是由于di/dt太高，產(chǎn)生了非常高的電壓尖峰，在關(guān)斷該短路電流后仍然可以打壞了

IGBT。這時(shí)，有源鉗位電路就非常必要。

為什么叫雙脈沖測(cè)試？單脈沖不可以嗎？

在大部分電力電子裝置中，負(fù)載的電感量都比較大，在IGBT關(guān)斷后，電感電流一般不會(huì)斷流，二極管會(huì)一直續(xù)流，在此時(shí)開(kāi)通IGBT，會(huì)有二極管的反向恢復(fù)過(guò)程。而單脈沖實(shí)驗(yàn)中是沒(méi)有二極管反向恢復(fù)過(guò)程的，因而雙脈沖實(shí)驗(yàn)比單脈沖實(shí)驗(yàn)真實(shí)。但是單脈沖實(shí)驗(yàn)可以充分觀察關(guān)斷過(guò)程，如果只需要關(guān)注關(guān)斷過(guò)程，則單脈沖實(shí)驗(yàn)也是可以的。