1關(guān)于IGBT

IGBT（絕緣柵雙極晶體管）是功率半導(dǎo)體的一種，它可以被簡(jiǎn)化的看作為一個(gè)能夠快速切換的開(kāi)關(guān)，可以被用來(lái)通過(guò)低壓脈沖來(lái)控制高壓信號(hào)的通斷。IGBT具有三個(gè)電極：柵極、集電極、發(fā)射極。低壓脈沖被施加在柵極和發(fā)射極之間，受控的高電壓被施加在集電極和發(fā)射極之間，如圖1所示。

IGBT是BJT（雙極結(jié)型晶體管）和MOSFET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）通過(guò)達(dá)林頓結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的復(fù)合晶體管，所以它兼具了兩種晶體管的優(yōu)點(diǎn)：電壓控制、低驅(qū)動(dòng)功率、低飽和電壓、高耐壓等。IGBT電路示意圖如圖2所示。

2 IGBT的應(yīng)用

IGBT在電力傳輸、新能源汽車(chē)、通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、航空航天、清潔能源等各個(gè)行業(yè)有著極為廣泛的應(yīng)用。圖3所示為IGBT器件的一些典型應(yīng)用。

圖3 IGBT的典型應(yīng)用

下圖4所示為一個(gè)典型的常用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源轉(zhuǎn)換電路的簡(jiǎn)化原理圖。三相交流電壓輸入經(jīng)脈沖整流器整流為穩(wěn)定的直流電壓，然后進(jìn)入直流-交流的逆變電路，最后輸出為由控制邏輯和系統(tǒng)模塊控制的三相脈沖調(diào)制信號(hào)。該電源轉(zhuǎn)換電路中使用了六個(gè)IGBT器件，以產(chǎn)生具有所期望的速度、功率、效率等的適當(dāng)信號(hào)。

圖4典型的AC-DC-AC電源轉(zhuǎn)換電路

3 IGBT的動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證

隨著市場(chǎng)需求量的增加，更多的企業(yè)開(kāi)始研發(fā)和生產(chǎn)IGBT器件，與傳統(tǒng)成熟的IGBT廠商相比，這些企業(yè)在初始階段會(huì)面臨更多的挑戰(zhàn)，所生產(chǎn)的IGBT產(chǎn)品的合格率會(huì)相對(duì)較低。為了應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)和提升合格率，需要在研發(fā)和生產(chǎn)階段對(duì)IGBT器件進(jìn)行嚴(yán)格且全面的測(cè)試驗(yàn)證，包括傳統(tǒng)的靜態(tài)特性測(cè)試以及動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。

此外，IGBT器件被廣泛用于新能源汽車(chē)中，汽車(chē)對(duì)安全性和可靠性的嚴(yán)格要求也對(duì)IGBT器件的可靠性提出了更為嚴(yán)格的要求。車(chē)規(guī)級(jí)IGBT器件的生產(chǎn)商需要針對(duì)其所生產(chǎn)的IGBT器件進(jìn)行更為嚴(yán)格更為全面的測(cè)試驗(yàn)證，包括器件的動(dòng)態(tài)性能，確保其合格可靠。

而且，IGBT器件的動(dòng)態(tài)特性會(huì)對(duì)所設(shè)計(jì)的電路性能帶來(lái)影響，因此精確測(cè)量IGBT器件動(dòng)態(tài)特性已成為IGBT器件一致性測(cè)試驗(yàn)證項(xiàng)目中的重要部分。

雙脈沖測(cè)試是測(cè)量IGBT動(dòng)態(tài)性能的行業(yè)通用方法。如下圖5所示，雙脈沖施加在柵極和發(fā)射極之間，以控制被測(cè)IGBT器件的開(kāi)通和關(guān)斷。圖中所示的PicoScope示波器型號(hào)是PicoScope 6824E，8通道示波器，其具有內(nèi)置的FG/AWG和靈活可調(diào)的分辨率（8位至12位）。用戶(hù)可以通過(guò)加載編輯好的波形數(shù)據(jù)文件，在PicoScope示波器中使用AWG生成雙脈沖信號(hào)，可通過(guò)一個(gè)外部放大器來(lái)提高脈沖的幅度，也可以直接使用一個(gè)額外的外部信號(hào)源來(lái)產(chǎn)生一個(gè)雙脈沖。兩個(gè)高壓差分探頭和一個(gè)電流探頭被用來(lái)采集Vge雙脈沖波形，Vce電壓信號(hào)以及Ic電流信號(hào)。

圖5雙脈沖測(cè)試IGBT器件連接示意圖

IGBT的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)主要是與開(kāi)通和關(guān)斷以及反向恢復(fù)相關(guān)的特性參數(shù)。下面列出的一些典型參數(shù)和示意圖來(lái)自IEC 60747-9-2019。

開(kāi)通時(shí)間(td(on),tr,ton)和開(kāi)通能量(Eon):

圖6 IGBT開(kāi)通特性參數(shù)

關(guān)斷時(shí)間(td(off),tf,toff,tz) and關(guān)斷能量(Eoff):

圖7 IGBT的關(guān)斷特性參數(shù)

反向恢復(fù)峰值電流(Irrm),反向恢復(fù)時(shí)間(trr),反向恢復(fù)能量(Err)以及反向恢復(fù)電荷(Qrr)：

圖8反向恢復(fù)特性參數(shù)

4 IGBT動(dòng)態(tài)特性參數(shù)測(cè)試挑戰(zhàn)

對(duì)于生產(chǎn)和研發(fā)用于產(chǎn)線測(cè)試的IGBT自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備來(lái)說(shuō)，可靠性是要考慮的第一重要因素，因?yàn)檫@些設(shè)備通常需要長(zhǎng)時(shí)間日夜不停的連續(xù)工作。因此，需要為測(cè)試設(shè)備找到一款可靠性高、能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集部件。

IGBT測(cè)試電路中的雜散電感引起的Vce電壓尖峰和二極管反向恢復(fù)引起的Ic電流尖峰是脈沖寬度較窄的高頻脈沖，如下圖9所示。要精確測(cè)試這樣的高頻脈沖，需要數(shù)據(jù)采集部件具有高帶寬、高ADC分辨率以及高采樣率。

在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，除了高可靠性和精確性要求之外，成本效益、緊湊的尺寸和快速的測(cè)量速度也變得日益重要。

對(duì)于數(shù)據(jù)采集部件來(lái)說(shuō)，滿足上述所有需求會(huì)是一個(gè)較大的挑戰(zhàn)。

PicoScope示波器能夠很好的滿足這些需求，已被廣泛的用于IGBT等功率半導(dǎo)體器件研發(fā)和生產(chǎn)測(cè)試中。

圖9 IGBT波形中因雜散電感帶來(lái)的電壓尖峰和反向二極管恢復(fù)電流尖峰

下圖10所示為使用PicoScope 5444D測(cè)試的雙脈沖、Vce、Ic、Ig的IGBT實(shí)際波形。

圖10使用PicoScope 5444D測(cè)得的IGBT波形

6如何使用PicoScope示波器測(cè)試IGBT器件

在研發(fā)階段對(duì)IGBT器件的調(diào)試與分析，可以使用PicoScope示波器配合Pico的最新一代示波器應(yīng)用軟件PicoScope 7。PicoScope 7是適用于所有實(shí)時(shí)PicoScope示波器的下一代用戶(hù)界面。它擁有用戶(hù)快速獲得答案所需的所有分析工具，無(wú)論是執(zhí)行簡(jiǎn)單測(cè)試還是調(diào)試復(fù)雜設(shè)計(jì)。它適用于Windows、Mac和Linux。無(wú)論手頭是否有一臺(tái)PicoScope示波器，用戶(hù)都可以免費(fèi)下載和離線運(yùn)行軟件并分析離線數(shù)據(jù)。它標(biāo)配有40個(gè)解碼選件、40個(gè)測(cè)量（包括功率相關(guān)參數(shù)）、67個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)（包括許多高級(jí)函數(shù)，例如FFT，參數(shù)追蹤等），以及內(nèi)置多種儀器功能，例如任意波形發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器、協(xié)議分析儀、頻譜分析儀、邏輯分析儀。

圖11支持所有實(shí)時(shí)PicoScope示波器的新一代PicoScope 7軟件

功率半導(dǎo)體行業(yè)的很多用戶(hù)不僅在研發(fā)階段使用PicoScope示波器進(jìn)行調(diào)試與分析，也將PicoScope示波器作為數(shù)據(jù)采集部件集成到IGBT的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備中用于產(chǎn)線測(cè)試。用戶(hù)通過(guò)PicoSDK（軟件開(kāi)發(fā)包）與PicoScope進(jìn)行交互并通過(guò)編程將其集成到自定義的應(yīng)用程序中。IGBT自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備中除了數(shù)據(jù)采集部件外，通常還需要工控機(jī)、高壓電源、驅(qū)動(dòng)板以及相關(guān)配件。用戶(hù)一般會(huì)使用C#、Python、LabVIEW等編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用軟件。圖12所示為集成了PicoScope的用于IGBT驗(yàn)證的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備。

圖12 IGBT自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備

7為什么選擇PicoScopes?

圖13被廣泛用在IGBT自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備中的PicoScope示波器型號(hào)

功率半導(dǎo)體企業(yè)以及功率半導(dǎo)體自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備研發(fā)和生產(chǎn)制造商會(huì)根據(jù)不同的測(cè)試需求選擇不同的PicoScope示波器型號(hào)，當(dāng)前常用的型號(hào)包括：PicoScope 5444D、PicoScope 6404E、PicoScope 6824E、PicoScope 6426E。當(dāng)然，所有其它PicoScope型號(hào)也都被用戶(hù)廣泛的選擇用于各種不同行業(yè)的系統(tǒng)集成和OEM應(yīng)用，因?yàn)镻icoScope示波器具備眾多適合于系統(tǒng)集成和OEM的優(yōu)點(diǎn)。下面列出的一些是用戶(hù)喜歡在系統(tǒng)集成項(xiàng)目和OEM應(yīng)用中使用PicoScope示波器的一些原因：

1）高可靠性

Pico Technology成立于1991年，專(zhuān)注于基于PC的測(cè)試儀器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備的研發(fā)和制造。數(shù)十年的產(chǎn)品迭代和嚴(yán)格的質(zhì)量控制，使得PicoScope示波器擁有高可靠性。

2）高性?xún)r(jià)比

與傳統(tǒng)臺(tái)式儀器不同，PicoScope示波器沒(méi)有內(nèi)置PC，故結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而可擁有更多獨(dú)特的硬件優(yōu)勢(shì)，包括高帶寬、高采樣率、深存儲(chǔ)、高ADC分辨率、靈活可調(diào)ADC分辨率、多個(gè)模擬和數(shù)字輸入通道、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)??；谕獠縋C的強(qiáng)大性能，PicoScope示波器可擁有更豐富的軟件功能和更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理能力，如可提供40多個(gè)串行解碼器、高級(jí)數(shù)學(xué)函數(shù)（FFT、濾波函數(shù)、測(cè)量參數(shù)追蹤圖等）。此外，PicoScope示波器擁有數(shù)十種型號(hào)，用戶(hù)更容易選擇到一款經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且與其應(yīng)用相匹配的產(chǎn)品。

3）高ADC分辨率和靈活可調(diào)ADC分辨率

PicoScope示波器提供從8位到16位的各種垂直分辨率選項(xiàng)。分辨率越高，垂直精度和動(dòng)態(tài)范圍就越大，波形顯示就越清晰，測(cè)量結(jié)果會(huì)更精確。PicoScope示波器的ADC分辨率靈活可調(diào)，這個(gè)獨(dú)特特點(diǎn)得益于Pico突破性的ADC管理技術(shù)，該技術(shù)允許用戶(hù)在一個(gè)設(shè)備中通過(guò)協(xié)調(diào)多個(gè)ADC的工作從而實(shí)現(xiàn)從8位到16位的靈活切換。

4）強(qiáng)大的軟件開(kāi)發(fā)包PicoSDK

PicoScope示波器提供了很多傳統(tǒng)臺(tái)式示波器通常不具備的互聯(lián)和定制功能。SDK（軟件開(kāi)發(fā)工具包）允許用戶(hù)為特定項(xiàng)目創(chuàng)建自定義應(yīng)用程序。這使得PicoScope示波器不僅僅是一臺(tái)通用的示波器。在SDK下運(yùn)行的PicoScope示波器擁有更加出色的性能，比如它可以以高達(dá)312 MS/s的速度連續(xù)采集數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)絇C，可實(shí)現(xiàn)最高200萬(wàn)段的分段存儲(chǔ)，可以設(shè)置高級(jí)觸發(fā)功能，可以編程控制示波器內(nèi)置的任意波形發(fā)生器或函數(shù)發(fā)生器輸出波形等?；赟DK編程控制PicoScope示波器簡(jiǎn)單容易，您可以在github.com/picotech上找到大量的基于各種編程語(yǔ)言的示例代碼，而且我們也有專(zhuān)門(mén)的支持團(tuán)隊(duì)為用戶(hù)自定義開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支持。

所有Pico產(chǎn)品（包括PicoScope示波器）均附帶免費(fèi)的SDK。SDK包含適用于Windows、macOS、Linux和Raspberry Pi (ARM7)的驅(qū)動(dòng)程序。它允許用戶(hù)使用諸如C、C#、C++、Python、MATLAB、LabVIEW和Microsoft Excel等通用的編程語(yǔ)言編寫(xiě)自己的應(yīng)用程序來(lái)控制儀器。

5）緊湊輕便

與往往比較笨重的傳統(tǒng)臺(tái)式示波器不同，PicoScope示波器緊湊、輕便且便于攜帶。與筆記本電腦配合使用時(shí)，PicoScope示波器可讓您將整套電子工具與電腦一起裝入一個(gè)包中。小巧的尺寸也使PicoScope示波器更易于集成到系統(tǒng)中，而幾乎不會(huì)增加重量或體積。