IGBT的双脉冲测试介绍

对于任何一个器件，在使用之前，无论是生产方还是使用方都会进行充分的验证，以确定产品的性能是否符合相应的需求。今天我们就来说一说有关IGBT的一项比较重要的测试——双脉冲测试(Double Pulse Test)

当然，网上可以找到很多关于IGBT双脉冲测试的资料，不同厂家的都有，基本的测试过程都是差不多的，其目的也是一致的(为了验证IGBT的性能是否过关)。双脉冲测试的必要性在现在的行业中是显而易见的，其决定了对应的IGBT是否会被选用，也是使用者在选型之前的一道筛选手段。

双脉冲测试的意义

①对比同一品牌不同型号或者同一型号不同品牌的IGBT的性能；

②获取IGBT在开关过程的主要参数，以评估Rgon及Rgoff的数值是否合适，评估是否需要配吸收电路等；

③考量IGBT在变换器中工作时的实际表现(例如二极管的反向恢复电流是否合适，关断时的电压尖峰是否合适，开关过程是否有不合适的震荡等)。

一般IGBT的规格书中的参数是在特定条件下的测试数据，不一定能够代表实际应用中的真实表现，这时候双脉冲测试就显示出了它的优势。也提醒我们，在使用IGBT的时候，不能够过于依赖其Datasheet，要与实际应用工况相结合，这样才能更好地认知。

主要实验设备

1. 高压电源

2. 电容组

3. 叠层直流母排

4. 负载电感（可以自己绕制，不要饱和即可）

5. 被测IGBT及驱动电路

6. 示波器（最好是4通道，高带宽，带函数功能，采样点在200MS/s或以上）

7. 高压差分电压探头(1000:1)

8. 罗氏线圈电流探头

9. 可编程信号发生器或简易信号发生装置（发出一组双脉冲信号）

平台和基本原理

测试电路如下：

下管IGBT和上管反并二极管是被测对象(对于，IGBT模块来说，上下管都是要测的，这里只是以其中一个为例)。

用高压隔离探头取Vce；用罗氏线圈电流探头取Ic；用普通探头测量Vge。上管IGBT的门极加了负压，所以上管的IGBT是关断的，只有续流二极管起作用。

双脉冲实验的基本波形(概念化的)：

基本原理：

①在t0时刻，门极放出第一个脉冲，被测IGBT饱和导通，电动势U加在负载L上，电感的电流线性上升，电流表达式为：I=Ut/L。

在t1时刻，电感电流的数值由U和L决定，在U和L都确定时，电流的数值由t1决定，时间越长电流越大因此可以自主设定电流的大小。

②在t1时刻被测关断，负载L的电流由上管二极管续流该电流缓慢衰减，如图虚线所示。

由于电流探头放在下管的发射极处，因此，在二极管续流时，IGBT关断，示波器上是看不见该电流的。

③在t2时刻第个脉冲的上，二升沿到达，被测IGBT再次导通续流二极管进入反向恢复，反向恢复电流会穿过IGBT，在电流探头上能捕捉到这个电流，如图所示。

在t2时刻，重点是观察IGBT的开通过程。反向恢复电流是重要的监控对象，该电流的形态直接影响到换流过程的许多重要指标。

④在时刻被测IGBT再次关断，此时电流较大，因为母线杂散电感的存在会产生，一定的电压尖峰。

在t3时刻，重点是观察IGBT的关断过程电压尖峰是重要的监控对象。

下面是实测时的波形：

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开通过程

IGBT典型的开关波形如下：

开通过程：

当门极电压到达门槛值时，IGBT导通，Ic开始增长，直到Ic基本到达电感电流的数值，续流二极管进入反向恢复后，IGBT的Vce才开始下降，反向恢复过程结束后，续流二极管截止，Vce到达饱和值，换流过程完成。

实测的波形如下：

红线:Ic；蓝线:Vce；绿线V

需要注意的几点是：

a. 二极管的反向恢复电流的di/dt，

b. 二极管的反向恢复电流的峰值，

c. 反向恢复后电流是否有震荡，拖尾有多长，

d. Vce电压是否正确变化

e. 测算出损耗，(依赖示波器功能)

调整门极电阻Rgon可以强烈地影响该过程，用以确定Rgon的数值是否合适。

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续流二极管

IGBT中的续流二极管是一个很重要的器件，我们要关注下面几个问题：

a. 在IGBT开通的时刻，实际上是续流二极管关断的时刻。

b. 所有的功率半导体，包括IGBT芯片和二极管芯片，在关断的时刻面临的风险远大于其开通时面临的风险(换句话说，在IGBT关断的时刻，IGBT芯片的损坏风险是最大的；在IGBT开通的时刻，二极管芯片的损坏风险是最大的)。。

c. IGBT芯片出现短路时，驱动器可以帮忙保护；但二极管芯片损坏时，没有其他的防护手段。

二极管风险项：

①安全工作区域(SOA)

下图是二极管的安全工作区的示意图和实测图。实际上这是一条恒功率曲线。其意义是：二极管在反向恢复过程中，其瞬时功率不能超过规定的数值，否则就有损坏的风险。

二极管在反向恢复的过程中，实际上是其工作点从导通过度到截止。其工作点的运动轨迹有多种选择，如右图所示。显然，轨迹A是最安全的，轨迹C则是危险的。

②尖峰电压

下图表示的是二极管反向恢复时，实测的电压及电流波形，同时利用示波器计算出瞬时损耗的波形。

图中红色线为二极管的瞬时功率，在二极管反向恢复电流达到最大值后，二极管的功率也达到最大值，如果此时二极管电压尖峰明显，则二极管损坏的风险将大大增加，因此杂散电感大小对二极管意义也很大。

二极管反向恢复电流上升时，杂散电感上产生的电压是与母线电压相抵的。反向恢复电流下降时，杂散电感电压与母线电压同向，电压落在二极管上，二极管出现电压尖峰，风险加大。如果杂散电感比较大，二极管就更加危险了，容易跑出安全工作区。

二极管的电压尖峰是由于杂散电感与二极管反向恢复电流的后沿

相作用而产生的。所以减小直流母排的杂散电感及优化反向恢复

电流的后半沿的斜率都可以有效提高二极管的安全裕量。

③电流变化率di/dt

通常在IGBT的datasheet中，关于二极管的部分会注明反向恢复电流的最大的di/dt水平，通常不能超过这个数值，否则可能导致反向恢复电流震荡。

二极管反向恢复电流的前沿的斜率受Rgon的影响很大，但反向恢复电流的后沿的形状（即其下降的部分），主要由IGBT厂商设计出来的。在大功率的场合，通常需要追求的二极管的软度。这主要体现在反向恢复电流的后沿的形状。

关于二极管反向恢复特性，可以参考之前的文章

二极管反向恢复特性综述

测量主电路杂散电感

利用开通过程测量主电路杂散电感：

在IGBT开通时，Ic开始增长，而此时上管IGBT的续流二极管处于反向恢复，该二极管没有阻断能力，上管Uce=0。

在Ic开始增长时，杂散电感上感应的电压的方向如图所示，是与母线电压相反的，所以此时在下管的Vce上测得的波形出现了一个缺口，如右图波形中的虚线所示这个缺口。电压产生的原因是杂散电感抵消了一部分母线电压。也就是说，缺口的电压是杂散电感上的感应电压。

从示波器上读出Us，再读出di/dt，根据式子Us=Ls*di/dt就能算出杂散电感Ls的数值。

这个模型是比较准确的因此得出的数据比较可靠

关断过程

关断波形如下图所示：

关断过程的关注点为Vce的电压尖峰，它是直流母线杂散电感与di/dt的乘积，通过观察这个尖峰，可以评估IGBT在关断时的安全程度。

Vce尖峰一般都客观存在，在短路或者过载时，这个尖峰会达到最高值，比正常工作时要高得多，通常可以使用有源钳位电路(ActiveClamping)进行抑制。

通常在大功率的IGBT的应用中，有源钳位的功能是非常必要的，而功率越小，必要性越低。其原因是随着系统的功率变大，IGBT的di/dt会增大，且杂散电感也会越大，因此电压尖峰会越高。在IGBT短路时，关断短路电流的di/dt会更高，比关断额定电流要

高很多，因此短路时电压尖峰更高。所以有可能出现，驱动器发

现了IGBT的短路现象，并且也及时关断，但是由于di/dt太高，产生了非常高的电压尖峰，在关断该短路电流后仍然可以打坏了

IGBT。这时，有源钳位电路就非常必要。

为什么叫双脉冲测试？单脉冲不可以吗？

在大部分电力电子装置中，负载的电感量都比较大，在IGBT关断后，电感电流一般不会断流，二极管会一直续流，在此时开通IGBT，会有二极管的反向恢复过程。而单脉冲实验中是没有二极管反向恢复过程的，因而双脉冲实验比单脉冲实验真实。但是单脉冲实验可以充分观察关断过程，如果只需要关注关断过程，则单脉冲实验也是可以的。