對于任何一個器件，在使用之前，無論是生產(chǎn)方還是使用方都會進行充分的驗證，以確定產(chǎn)品的性能是否符合相應(yīng)的需求。今天我們就來說一說有關(guān)IGBT的一項比較重要的測試——雙脈沖測試(Double Pulse Test)

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

1

雙脈沖測試的意義

①對比同一品牌不同型號或者同一型號不同品牌的IGBT的性能；

②獲取IGBT在開關(guān)過程的主要參數(shù)，以評估Rgon及Rgoff的數(shù)值是否合適，評估是否需要配吸收電路等；

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

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

2

主要實驗設(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IGBT及驅(qū)動電路
6. 示波器（最好是4通道，高帶寬，帶函數(shù)功能，采樣點在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. 可編程信號發(fā)生器或簡易信號發(fā)生裝置（發(fā)出一組雙脈沖信號）

3

平臺和基本原理

測試電路如下：

下管IGBT和上管反并二極管是被測對象(對于，IGBT模塊來說，上下管都是要測的，這里只是以其中一個為例)。

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

雙脈沖實驗的基本波形(概念化的)：

基本原理：

①在t0時刻，門極放出第一個脈沖，被測IGBT飽和導(dǎo)通，電動勢U加在負(fù)載L上，電感的電流線性上升，電流表達式為：I=Ut/L。

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

②在t1時刻被測關(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，IGBT關(guān)斷，示波器上是看不見該電流的。

③在t2時刻第個脈沖的上，二升沿到達，被測IGBT再次導(dǎo)通續(xù)流二極管進入反向恢復(fù)，反向恢復(fù)電流會穿過IGBT，在電流探頭上能捕捉到這個電流，如圖所示。

在t2時刻，重點是觀察IGBT的開通過程。反向恢復(fù)電流是重要的監(jiān)控對象，該電流的形態(tài)直接影響到換流過程的許多重要指標(biāo)。

④在時刻被測IGBT再次關(guān)斷，此時電流較大，因為母線雜散電感的存在會產(chǎn)生，一定的電壓尖峰。

在t3時刻，重點是觀察IGBT的關(guān)斷過程電壓尖峰是重要的監(jiān)控對象。

下面是實測時的波形：

4

開通過程

IGBT典型的開關(guān)波形如下：

開通過程：

當(dāng)門極電壓到達門檻值時，IGBT導(dǎo)通，Ic開始增長，直到Ic基本到達電感電流的數(shù)值，續(xù)流二極管進入反向恢復(fù)后，IGBT的Vce才開始下降，反向恢復(fù)過程結(jié)束后，續(xù)流二極管截止，Vce到達飽和值，換流過程完成。

實測的波形如下：

紅線:Ic；藍線:Vce；綠線V

需要注意的幾點是：

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，

d. Vce電壓是否正確變化

e. 測算出損耗，(依賴示波器功能)

調(diào)整門極電阻Rgon可以強烈地影響該過程，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)流二極管是一個很重要的器件，我們要關(guān)注下面幾個問題：

a. 在IGBT開通的時刻，實際上是續(xù)流二極管關(guān)斷的時刻。

b. 所有的功率半導(dǎo)體，包括IGBT芯片和二極管芯片，在關(guān)斷的時刻面臨的風(fēng)險遠大于其開通時面臨的風(fēng)險(換句話說，在IGBT關(guān)斷的時刻，IGBT芯片的損壞風(fēng)險是最大的；在IGBT開通的時刻，二極管芯片的損壞風(fēng)險是最大的)。

c. IGBT芯片出現(xiàn)短路時，驅(qū)動器可以幫忙保護；但二極管芯片損壞時，沒有其他的防護手段。

二極管風(fēng)險項：

①安全工作區(qū)域(SOA)

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

二極管在反向恢復(fù)的過程中，實際上是其工作點從導(dǎo)通過度到截止。其工作點的運動軌跡有多種選擇，如右圖所示。顯然，軌跡A是最安全的，軌跡C則是危險的。

②尖峰電壓

下圖表示的是二極管反向恢復(fù)時，實測的電壓及電流波形，同時利用示波器計算出瞬時損耗的波形。

圖中紅色線為二極管的瞬時功率，在二極管反向恢復(fù)電流達到最大值后，二極管的功率也達到最大值，如果此時二極管電壓尖峰明顯，則二極管損壞的風(fēng)險將大大增加，因此雜散電感大小對二極管意義也很大。

二極管反向恢復(fù)電流上升時，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，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)險加大。如果雜散電感比較大，二極管就更加危險了，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)于二極管的部分會注明反向恢復(fù)電流的最大的di/dt水平，通常不能超過這個數(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)計出來的。在大功率的場合，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。

6

測量主電路雜散電感

利用開通過程測量主電路雜散電感：

在IGBT開通時，Ic開始增長，而此時上管IGBT的續(xù)流二極管處于反向恢復(fù)，該二極管沒有阻斷能力，上管Uce=0。

在Ic開始增長時，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，所以此時在下管的Vce上測得的波形出現(xiàn)了一個缺口，如右圖波形中的虛線所示這個缺口。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，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。

這個模型是比較準(zhǔn)確的因此得出的數(shù)據(jù)比較可靠。

7

關(guān)斷過程

關(guān)斷波形如下圖所示：

關(guān)斷過程的關(guān)注點為Vce的電壓尖峰，它是直流母線雜散電感與di/dt的乘積，通過觀察這個尖峰，可以評估IGBT在關(guān)斷時的安全程度。

Vce尖峰一般都客觀存在，在短路或者過載時，這個尖峰會達到最高值，比正常工作時要高得多，通?？梢允褂糜性淬Q位電路(Active Clamping)進行抑制。

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會增大，且雜散電感也會越大，因此電壓尖峰會越高。在IGBT短路時，關(guān)斷短路電流的di/dt會更高，比關(guān)斷額定電流要高很多，因此短路時電壓尖峰更高。所以有可能出現(xiàn)，驅(qū)動器發(fā)現(xiàn)了IGBT的短路現(xiàn)象，并且也及時關(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，有源鉗位電路就非常必要。

為什么叫雙脈沖測試？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，電感電流一般不會斷流，二極管會一直續(xù)流，在此時開通IGBT，會有二極管的反向恢復(fù)過程。而單脈沖實驗中是沒有二極管反向恢復(fù)過程的，因而雙脈沖實驗比單脈沖實驗真實。但是單脈沖實驗可以充分觀察關(guān)斷過程，如果只需要關(guān)注關(guān)斷過程，則單脈沖實驗也是可以的。