雙脈沖測(cè)試的基本原理、基本實(shí)驗(yàn)以及波形

一般，我們是通過(guò)閱讀器件廠商提供的datasheet來(lái)了解一個(gè)器件的參數(shù)特性，但是datasheet中所描述的參數(shù)是在特定的外部參數(shù)條件測(cè)試得來(lái)的，因此這些參數(shù)不能都可以直接拿來(lái)使用的。因此可以通過(guò)雙脈沖測(cè)試，通過(guò)給定兩個(gè)脈沖來(lái)測(cè)試IGBT的開(kāi)關(guān)特性，進(jìn)而對(duì)器件性能進(jìn)行更準(zhǔn)確的評(píng)估。

一、雙脈沖測(cè)試可以獲得器件哪些真實(shí)參數(shù)？

首先是獲取開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程中的參數(shù)，可以用來(lái)評(píng)估驅(qū)動(dòng)電阻數(shù)值是否合適，是否需要加吸收電路等。而且可以衡量開(kāi)關(guān)管在實(shí)際電路中的表現(xiàn)，主要有反向恢復(fù)電流，關(guān)斷電壓尖峰，開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間等。

通過(guò)觀察IGBT的柵極波形，評(píng)估IGBT驅(qū)動(dòng)板是否能為IGBT開(kāi)啟提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流；獲取IGBT在開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程的主要參數(shù)，以評(píng)估Rgon與Rgoff的選擇是否合適；

觀察開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程是否有電壓尖峰，評(píng)估實(shí)際應(yīng)用是否需要吸收電路；評(píng)估二極管的反向恢復(fù)行為和安全裕量；測(cè)量母排的雜散電感；

二、雙脈沖測(cè)試的基本原理是什么？

以集成驅(qū)動(dòng)電路的簡(jiǎn)化模型為例進(jìn)行分析，雙脈沖測(cè)試通常以半橋形式測(cè)試，所謂雙脈沖就是上管保持關(guān)斷，下管驅(qū)動(dòng)信號(hào)給定兩個(gè)脈沖從而測(cè)試下管的開(kāi)關(guān)特性。

如圖所示，上管兩端并接一個(gè)電感，就可以測(cè)試出下管的特性以及上管的反向二極管特性。

圖1 雙脈沖測(cè)試簡(jiǎn)化原理圖

三、雙脈沖測(cè)試基本實(shí)驗(yàn)以及波形

（1）如圖2,在t0時(shí)刻，門極發(fā)出第一個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，開(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通，電感電流線性上升，電流公式如下，t1時(shí)刻電流值最大，由時(shí)間t1決定電流大小。

I=(U?t)/L

圖2 第一個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)

（2）如圖3，在t1時(shí)刻，被測(cè)開(kāi)關(guān)管T2關(guān)斷，電感電流由上管二極管D1續(xù)流，電流波形如虛線所示，此電流一般不容易檢測(cè)。

圖3 被測(cè)T2關(guān)斷

（3）如圖4，在t2時(shí)刻，第二個(gè)脈沖的上升沿到達(dá)，被測(cè)開(kāi)關(guān)管再次導(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)開(kāi)關(guān)管，在電流探頭上能捕捉到這個(gè)電流。

圖4 第二個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)

（4）如圖5，在t3時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，此時(shí)電流較大,由于母線雜散電感的存在，電壓會(huì)出現(xiàn)尖峰

圖5 被測(cè)T2第二次關(guān)斷

根據(jù)上面的分析，我們可以通過(guò)雙脈沖測(cè)試得到二者的二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。開(kāi)關(guān)管上升時(shí)間，下降時(shí)間等等。

（5）雙脈沖波形實(shí)例

用高壓隔離探頭測(cè)量Vce及Vge的電壓大小，用羅氏線圈測(cè)量電流Ic的大小，測(cè)試結(jié)果通過(guò)示波器進(jìn)行監(jiān)控；

上管IGBT的Vge加負(fù)壓或直接短路，因此它是關(guān)斷的，只有其并聯(lián)的二極管起續(xù)流作用，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中可以用二極管替代。

幾個(gè)幫助理解的定義：

（1）二極管反向恢復(fù)時(shí)間：開(kāi)關(guān)從導(dǎo)通狀態(tài)向截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，二極管或整流器在二極管阻斷反向電流之前需要首先釋放存儲(chǔ)的電荷，這個(gè)放電時(shí)間被稱為反向恢復(fù)時(shí)間,在此期間電流反向流過(guò)二極管。

總的來(lái)說(shuō)，反向恢復(fù)時(shí)間就是正向?qū)〞r(shí)PN結(jié)存儲(chǔ)的電荷耗盡所需要的時(shí)間。

因此，就很容易明白下面這些：

1、反向電源電壓越小，反向恢復(fù)電流越小，電荷耗盡越慢，反向恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)。

2、正向電流越大，存儲(chǔ)的電荷越多，耗盡時(shí)間越長(zhǎng)，反向恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)。

3、半導(dǎo)體材料的載流子復(fù)合效率越低，壽命越長(zhǎng)，電荷耗盡時(shí)間越長(zhǎng)，反向恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)。整個(gè)過(guò)程，電源電壓，二極管兩端電壓，反向電流的波形圖如下所示，圖中的trr就是反向恢復(fù)時(shí)間。

（2）IGBT開(kāi)關(guān)參數(shù)的定義:ton、td（on）、tr、toff、td（off）、tf、（di/dt）on屬于IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間參數(shù)，直觀地表征了IGBT在理想狀況下的開(kāi)關(guān)速度。

其中，ton=td（on）+tr，toff=td（off）+tf，因此我們只要搞清楚td（on）、tr、td（off）、tr就可以了，技術(shù)手冊(cè)一般給出的也正是這4個(gè)參數(shù)。

·ton：Turn-On time，開(kāi)通時(shí)間。

·td（on）：Turn-On delay time,開(kāi)通延時(shí)。

·tr：Rise time，上升時(shí)間。

·toff：Turn-Off time,關(guān)斷時(shí)間。

·td(off)：Turn-Off delay time,關(guān)斷延時(shí)。

·tf：Fall time，下降時(shí)間。

·(di/dt)on：Turn-On current slope，開(kāi)通電流（波形）斜率，單位為A/μs。

tr、tf和td（on）、td（off）在數(shù)值上的差別并不太大，但tr、tf是集電極電流變化范圍比較大的時(shí)間段，因此對(duì)IGBT的性能影響比較大，用它們來(lái)衡量IGBT的開(kāi)關(guān)速度也更實(shí)用。要限制(di/dt)on，一般通過(guò)調(diào)整柵極電阻RG 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

開(kāi)關(guān)時(shí)間受Ic的影響比較小，受IG的影響比較明顯，而IG又明顯受到柵極電阻RG的影響，因此 RG對(duì)開(kāi)關(guān)時(shí)間是有明顯影響的。RG增大，除了會(huì)使tf略有減小以外，將使其他開(kāi)關(guān)參數(shù)變長(zhǎng)，總的影響是使開(kāi)關(guān)時(shí)間變長(zhǎng)，影響趨勢(shì)如圖2所示。

因此，要限制開(kāi)關(guān)時(shí)間，可適當(dāng)增大RG；但是，過(guò)度增加RG，會(huì)使IGBT的適用功率頻率降低，還會(huì)增加柵極驅(qū)動(dòng)功率的消耗?？傮w上看，RG一般不超過(guò)100Ω，電流規(guī)格越大的IGBT，RG的取值越小。

測(cè)試總結(jié)

雙脈沖測(cè)試問(wèn)題注意：

（1）要想獲得較為精確的測(cè)量值，對(duì)測(cè)試儀器有很大要求。一般采用高壓探頭取Vge、Vce，羅氏線圈電流探頭取IcIc，對(duì)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以采用普通探頭獲得。同時(shí)，有條件的情況下，可以對(duì)高壓探頭，羅氏線圈/高精度電流探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，以此減小測(cè)量?jī)x器帶來(lái)的誤差。

（2）調(diào)整門極電阻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。

（3）負(fù)載電感可以自己繞制空心電感，或者購(gòu)買相應(yīng)空心電感，盡量不用使用磁粉芯電感，瞬間大電流會(huì)影響粉心電感電感值，從而對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。

（4）直流側(cè)需要高壓電源，一般情況下，為保護(hù)儀器，可以用多個(gè)電容串并聯(lián)（同時(shí)并聯(lián)電阻用于放電），使用高壓電源為電容充電，然后給被測(cè)電路供電。

（5）雙脈沖信號(hào)可以用DSP或者其他信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，測(cè)試前需使用示波器觀察發(fā)生的信號(hào)脈沖時(shí)間是否與預(yù)期相同，這個(gè)會(huì)影響對(duì)結(jié)果分析與判斷。

原文標(biāo)題：電力電子-雙脈沖測(cè)試淺析

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審核編輯：湯梓紅