电力电子——IGBT双脉冲测试方法

凯

在IGBT应用中，特别是在IGBT的并联应用中，我们一般要获得以下信息：1.对比不同的IGBT的参数；2.评估IGBT驱动板的功能和性能；3.获取IGBT在开通、关断过程的主要参数，以评估Rgon及Rgoff的数值是否合适。通常我们对某款IGBT的认识主要是通过阅读相应的datasheet，但实际上，数据手册中所描述的参数是基于一些已经给定的外部参数测试得来的，而实际应用中的外部参数都是个性化的，往往会有所不同，因此这些参数有些是不能直接拿来使用的。我们需要了解IGBT在具体应用中更真实的表现；4.开通、关断过程是否有不合适的震荡；5 评估二极管的反向恢复行为和安全裕量；6.IGBT关断时的电压尖峰是否合适，关断之后是否存在不合适的震荡；7.评估IGBT并联的均流特性；8.测量母排的杂散电感；要观测这些参数，最有效的方法就是：“双脉冲测试方法”。 双脉冲实验的基本原理（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： 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数值。
双脉冲实验的基本原理（2）：IGBT关断，负载 的电流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。 双脉冲实验的基本原理（3）：在t2时刻，第二个脉冲的上升沿到达，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，如下图所示。在该时刻，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。 双脉冲实验的基本原理（4）：
在t3时刻，被测IGBT   再次关断，此时电流较大，因为母线杂散电感Ls的存在，会产生一定的电压尖峰。在该时刻，重点是观察IGBT  的关断过程。电压尖峰是重要的监控对象，同时关断之后电压和电流是否存在不合适的震荡也是需要注意的对象。
双脉冲实验的实测波形： 双脉冲实验的关注点----开通过程（第二次开通）：
下图是IGBT实测开通波形，我们需要关注的点是：
（1）Vce电压是否正确变化；
（2）二极管的反向恢复电流的di/dt；
（3）二极管的反向恢复电流的峰值；
（4）反向恢复后电流是否有震荡，拖尾有多长；
（5）测算出损耗(  依赖示波器功能)。
关于二极管的讨论：
IGBT模块中的续流二极管，实际上是一个非常重要的元件，但往往容易被忽视。我们列举出如下需要注意的几条：
1. IGBT 出现短路或者故障时，IGBT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；
2. 在IGBT 开通的时刻，实际上是续流二极管关断的时刻。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；
下图是二极管的安全工作区的示意图。
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。
因此，二极管的瞬时功率是重要的判断标准。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。
二极管的风险点的测试方法：
下图是评估二极管的方法的示意图：
 （1）将电流探头加在上管IGBT的集电极；
（2）将电压探头加在上管 IGBT的CE极间；
（3）将电压及电流的瞬时值的积做为一个函数通道，表示二极管的瞬时功率；
（4）用示波器捕捉上管二极管的反向恢复时刻，注意只有在第二次开通的时刻二极管才会有反向回复行为。

IGBT开通过程中二极管的风险点（1  ）：
右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功率的波形。
二极管反向恢复电流增加时，杂散电感Ls上产生的电压与母线电压反向，因此电压相抵，二极管相对安全。
二极管反向恢复电流减小时，杂散电感Ls上产生的电压与母线电压同向，Ls上的电压落在二极管上，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，容易超出安全工作区。
二极管反向恢复电流减小时，杂散电感Ls上产生的电压与母线电压同向，Ls上的电压落在二极管上，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，容易超出安全工作区。

IGBT开通过程中二极管的风险点（2  ）
1. 二极管的反向恢复电流的前沿，对应在杂散电感上产生的电压方向是与母线电压相抵的，因此没有风险；
2.反向恢复电流的后沿对应在杂散电感上产生的电压的方向与母线电压相同，二极管会承受此电压尖峰，同时也会出现瞬时功率的尖峰，因此是最危险的时刻。

 IGBT  开通过程中二极管的风险点（3  ）
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：
1.减小直流母排的杂散电感；
2.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。
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很大，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。

IGBT开通过程中二极管的风险点（4  ）
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。
下图所示的1500A/3300V模块的“二极管的安全工作区曲线”，该边界为9kA/us。
二极管反向恢复电流的的形状主要取决于IGBT 厂商的设计，其前沿的斜率及后沿斜率在很大程度上受Rgon的影响。一旦增大Rgon，反向恢复电流的斜率则会缓和很多。
续流二极管的风险与外部参数的关系：
在外部参数发生变化时，二极管的风险也在发生变化，在此，我们举几个需要特别注意的参数：
1.结温，当结温越低，二极管的速度越快，反向恢复电流后沿也越陡峭，产生的电压尖峰也越高，情况越恶劣。
2.续流电流的大小，实验表明，二极管关断不同等级的电流时产生的峰值功率有如下关系：P（关断10%的额定电流）>P（关断1倍的额定电流）> P（关断21倍的额定电流。 也就是说，电流越小，情况越恶劣。
3.母线电压的高低，母线电压越高，情况越恶劣。
如上这些注意点都来自于测试经验，某些特殊的功率模块可能不在该范围内。
通过开通过程观察并联的动态均流水平：
下图是在3个IGBT并联的情况下测试的开通波形，M1、M2和M3通道分别为3个IGBT的Ic。用此方法可以很准确的测试出动态均流的情况。从而进行动态均流调试。

利用开通过程测量主电路杂散电感：
在IGBT第二次开通时，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，因此上管Vce=0。
在Ic开始增长时，杂散电感上感应的电压的方向如下图所示，与母线电压相反，所以此时在下管的Vce上测得的波形出现了一个缺口。如下下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，代进下式，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。 如下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。

双脉冲实验的关注点----  关断过程：
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(Active Clamping)   进行抑制。

对关断过程中电压尖峰的认识：
下表说明不同IGBT在关断额定电流时的di/dt的水平(    从datasheet 中计算出）。

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。我们举例：
假设母排杂散电感为100nH，则在7000A/us的电流变化率下，电压尖峰将高达700V。
这时，有源钳位电路就非常必要。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。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。

双脉冲实验举例——硬件准备工作：

双脉冲实验举例——计算：
在这个实验中，涉及4个物理量：
1.母线电压(V)
2.IGBT  电流(I)
3.电感量(L)
4.脉冲宽度（t）

它们之间的关系用下面的式子建立起来：

我们以1000A/1700V为被测对象，做一次计算：
a. V取IGBT  的额定母线电压：1100V；
b. I取此IGBT  的安全工作区的边缘：2000A；
c. L取实验室条件下简单绕制的空心电感：28uH。
将以上数据带入上式，得  t=51us。
要使电流在第二个脉冲关断时到达2000A，则2个脉冲的宽度之和为：T1+T3=51us。