雙脈沖測試的基本原理、基本實驗以及波形

一般，我們是通過閱讀器件廠商提供的datasheet來了解一個器件的參數(shù)特性，但是datasheet中所描述的參數(shù)是在特定的外部參數(shù)條件測試得來的，因此這些參數(shù)不能都可以直接拿來使用的。因此可以通過雙脈沖測試，通過給定兩個脈沖來測試IGBT的開關(guān)特性，進(jìn)而對器件性能進(jìn)行更準(zhǔn)確的評估。

一、雙脈沖測試可以獲得器件哪些真實參數(shù)？

首先是獲取開關(guān)管開關(guān)過程中的參數(shù)，可以用來評估驅(qū)動電阻數(shù)值是否合適，是否需要加吸收電路等。而且可以衡量開關(guān)管在實際電路中的表現(xiàn)，主要有反向恢復(fù)電流，關(guān)斷電壓尖峰，開通關(guān)斷時間等。

通過觀察IGBT的柵極波形，評估IGBT驅(qū)動板是否能為IGBT開啟提供足夠的驅(qū)動電流；獲取IGBT在開通、關(guān)斷過程的主要參數(shù)，以評估Rgon與Rgoff的選擇是否合適；

觀察開通、關(guān)斷過程是否有電壓尖峰，評估實際應(yīng)用是否需要吸收電路；評估二極管的反向恢復(fù)行為和安全裕量；測量母排的雜散電感；

二、雙脈沖測試的基本原理是什么？

以集成驅(qū)動電路的簡化模型為例進(jìn)行分析，雙脈沖測試通常以半橋形式測試，所謂雙脈沖就是上管保持關(guān)斷，下管驅(qū)動信號給定兩個脈沖從而測試下管的開關(guān)特性。

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

圖1 雙脈沖測試簡化原理圖

三、雙脈沖測試基本實驗以及波形

（1）如圖2,在t0時刻，門極發(fā)出第一個脈沖驅(qū)動信號，開關(guān)管飽和導(dǎo)通，電感電流線性上升，電流公式如下，t1時刻電流值最大，由時間t1決定電流大小。

I=(U?t)/L

圖2 第一個脈沖驅(qū)動信號

（2）如圖3，在t1時刻，被測開關(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。

圖3 被測T2關(guān)斷

（3）如圖4，在t2時刻，第二個脈沖的上升沿到達(dá)，被測開關(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)電流會穿過開關(guān)管，在電流探頭上能捕捉到這個電流。

圖4 第二個脈沖驅(qū)動信號

（4）如圖5，在t3時刻，開關(guān)管關(guān)斷，此時電流較大,由于母線雜散電感的存在，電壓會出現(xiàn)尖峰

圖5 被測T2第二次關(guān)斷

根據(jù)上面的分析，我們可以通過雙脈沖測試得到二者的二極管的反向恢復(fù)時間。開關(guān)管上升時間，下降時間等等。

（5）雙脈沖波形實例

用高壓隔離探頭測量Vce及Vge的電壓大小，用羅氏線圈測量電流Ic的大小，測試結(jié)果通過示波器進(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，在實際測試過程中可以用二極管替代。

幾個幫助理解的定義：

（1）二極管反向恢復(fù)時間：開關(guān)從導(dǎo)通狀態(tài)向截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變時，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的電荷，這個放電時間被稱為反向恢復(fù)時間,在此期間電流反向流過二極管。

總的來說，反向恢復(fù)時間就是正向?qū)〞rPN結(jié)存儲的電荷耗盡所需要的時間。

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)時間越長。

2、正向電流越大，存儲的電荷越多，耗盡時間越長，反向恢復(fù)時間越長。

3、半導(dǎo)體材料的載流子復(fù)合效率越低，壽命越長，電荷耗盡時間越長，反向恢復(fù)時間越長。整個過程，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)時間。

（2）IGBT開關(guān)參數(shù)的定義:ton、td（on）、tr、toff、td（off）、tf、（di/dt）on屬于IGBT的開關(guān)時間參數(shù)，直觀地表征了IGBT在理想狀況下的開關(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)手冊一般給出的也正是這4個參數(shù)。

·ton：Turn-On time，開通時間。

·td（on）：Turn-On delay time,開通延時。

·tr：Rise time，上升時間。

·toff：Turn-Off time,關(guān)斷時間。

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

·tf：Fall time，下降時間。

·(di/dt)on：Turn-On current slope，開通電流（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間段，因此對IGBT的性能影響比較大，用它們來衡量IGBT的開關(guān)速度也更實用。要限制(di/dt)on，一般通過調(diào)整柵極電阻RG 來實現(xiàn)。

開關(guān)時間受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對開關(guān)時間是有明顯影響的。RG增大，除了會使tf略有減小以外，將使其他開關(guān)參數(shù)變長，總的影響是使開關(guān)時間變長，影響趨勢如圖2所示。

因此，要限制開關(guān)時間，可適當(dāng)增大RG；但是，過度增加RG，會使IGBT的適用功率頻率降低，還會增加柵極驅(qū)動功率的消耗?？傮w上看，RG一般不超過100Ω，電流規(guī)格越大的IGBT，RG的取值越小。

測試總結(jié)

雙脈沖測試問題注意：

（1）要想獲得較為精確的測量值，對測試儀器有很大要求。一般采用高壓探頭取Vge、Vce，羅氏線圈電流探頭取IcIc，對于驅(qū)動信號可以采用普通探頭獲得。同時，有條件的情況下，可以對高壓探頭，羅氏線圈/高精度電流探頭進(jìn)行校準(zhǔn)，以此減小測量儀器帶來的誤差。

（2）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。

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

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

（5）雙脈沖信號可以用DSP或者其他信號發(fā)生器產(chǎn)生，測試前需使用示波器觀察發(fā)生的信號脈沖時間是否與預(yù)期相同，這個會影響對結(jié)果分析與判斷。

原文標(biāo)題：電力電子-雙脈沖測試淺析

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審核編輯：湯梓紅