雙脈沖試驗讀懂IGBT性能

接觸IGBT的工程師，都避免不了雙脈沖試驗，這是測量IGBT性能的關(guān)鍵試驗。簡單理解雙脈沖試驗的原理非常簡單，但是，要想把試驗測到的數(shù)據(jù)應(yīng)用到設(shè)計參數(shù)計算中去，就要好好琢磨一下這個簡單的變化過程中的門道啦。

話不多說，上圖：

半橋的上管保持常閉狀態(tài)，并聯(lián)電感，下管門極發(fā)送連續(xù)兩個脈沖，檢測下管兩端的電壓Vce以及下管集電極電流Ic，如有條件，可同時檢測上管反向二極管兩端的電壓VF。不得不說設(shè)計雙脈沖試驗的人是個天才，通過短暫的開通關(guān)斷過程，同時觀察IGBT及FRD的性能。

試驗目的：

• 測量td_on、tr、td_off、tf、Eon、Eoff、Irr、Ls等參數(shù)；
• 通過以上參數(shù)，優(yōu)化驅(qū)動設(shè)計，對比器件性能；
• Datasheet中包含上述數(shù)據(jù)，但一般不是我們設(shè)計參數(shù)下的數(shù)據(jù)；至于以上參數(shù)的含義，后續(xù)會做詳盡解釋。

下邊通過試驗波形一一解釋各關(guān)鍵點的變化：

• t0時刻：下管IGBT飽和導通，電壓加在電感L上，電流Ic線性上升，Ic=U*t/L；

• t1時刻：下管關(guān)閉，電感電流通過上管反向二極管續(xù)流；

• t2時刻：下管重新打開，電流由二極管轉(zhuǎn)向下管IGBT，并且續(xù)流二極管進入反向恢復，反向恢復電流同樣流過下管IGBT，可通過IC檢測出來，這個過程重點關(guān)注二極管的反向恢復過程；

• t3時刻：下管再次關(guān)斷，由于變流路線雜散電感的原因，下管IGBT芯片兩端會疊加電壓尖峰，需重點關(guān)注。

以上是雙脈沖試驗的完整過程，看起來很簡單對吧，下邊關(guān)鍵的地方來啦，先從比較好理解的關(guān)斷開始。

前邊說了，動態(tài)過程中雜散電感的影響非常重要，因為它看不見，容易被忽視，那么就從關(guān)斷時刻先把這家伙搞清楚。

首先，給出考慮雜散電感的等效線路模型，得上大圖：

汽車Inverter應(yīng)用中，U可以認為是支撐電容電壓，線路中的雜散電感主要包含【DC-Link+排線】雜散電感(Ls1和Ls8)和IGBT模塊的雜散電感（Ls2~Ls7）。

分析：以t3關(guān)斷時刻為例，電流發(fā)生變化，考慮雜散電感的影響，測量出Vce之間的電壓會疊加上Ls*di/dt，Ls=Ls1+Ls2+Ls3+Ls4+Ls7+Ls8，雜散電感感應(yīng)電壓方向與U方向一致，因此出現(xiàn)關(guān)斷電壓尖峰；

實際芯片兩端電壓還要考慮Ls5和Ls6的影響，無法直接測得，因此規(guī)格書上給出反偏安全工作區(qū)RBSOA。

畫重點：芯片兩端電壓不得超過圖中虛線范圍，考慮到實際測量時C、E端子與芯片間存在雜散電感，因此C、E端子間電壓不得超過上圖中實線范圍。

開通過程需關(guān)注哪些特性呢？

• 反向恢復電流的峰值，它受二極管特性及驅(qū)動電阻的影響；
• 反向恢復電流的di/dt，包含前沿和后沿，前沿受驅(qū)動參數(shù)影響，后沿是二極管本身特性；
• 反向恢復電流是否有震蕩，拖尾多長；
• 可通過示波器測算開通損耗和反向恢復損耗。

   

開通過程：

上圖中的反向恢復電流是疊加在IGBT上的，反向恢復過程二極管的電壓電流變化過程如下圖所示。

IGBT的開通時刻是二極管的關(guān)斷時刻，對于功率半導體器件，關(guān)斷時刻的風險遠大于開通時刻的風險，直觀理解就是關(guān)斷時刻電應(yīng)力更大；

關(guān)斷過程反向恢復電流前沿（紅線左）變化產(chǎn)生的雜散電感電壓與U相反；后沿電流變化產(chǎn)生的雜散電感電壓與U方向相同，電壓疊加在二極管上，二極管損壞的風險加大，此時，Vf=U-Vce+Ls*dIrr/dt。這種情況下需保證反向二極管的工作點切換不超過下圖的安全工作區(qū)，即軌跡C是最危險的。

從上邊的分析能看出來，反向恢復電流后沿的變化率影響很大，通常所說的軟度，指的就是這個。

反向恢復電流的大小和變化率影響開關(guān)的很多性能，例如反向恢復損耗，EMC性能、反向恢復電流震蕩等，因此需限制其在合理的范圍之內(nèi)。

前邊已經(jīng)講述了許多雜散電感影響電壓的機理，那么，利用下圖開通的時刻波形，計算系統(tǒng)雜散電感的公式，就作為簡單的思考啦。

提示：關(guān)斷時刻雜散電感產(chǎn)生的電壓與U方向一致，疊加到IGBT上，那么開通時刻呢，當然相反嘍，于是有：Us=Ls*di/dt，Us即為雜散電感感應(yīng)電壓，參考上圖。

跟這個世界上大多數(shù)事物一樣，IGBT的使用是個矛盾的事情，例如，提升開通關(guān)斷速度，可以降低開關(guān)損耗，但伴之而來的則是EMC的惡化和關(guān)斷電壓尖峰的提升；

從IGBT雙脈沖波形中可以讀出的參數(shù)，對驅(qū)動及算法的設(shè)計具有很大的幫助，未完待續(xù)。

參考：魏煒 《IGBT雙脈沖測試方法介紹》

原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/XhIX-4Qhqh0A4_Ud0n-5jg