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基于双脉冲的IGBT及驱动电路测试方法
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13_IGBT双脉冲测试方法介绍_魏炜__Rev03
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杂散电感对高效IGBT逆变器设计的影响
图3：小功率的关断特性：上图显示的是损耗/时间的曲线(实线：L=23nH、虚线：L=100nH);下图显示的是电压和电流曲线。本文引用地址：　　小和大设置的电流波形在时间戳b的位置交叉。在第一开关阶段直到交叉点b，采用大设置升高的过压会使损耗增至36.3mJ，而小电感设置的损耗为30.8mJ。不过，在b点之后，大电感设置会产生较短的电流拖尾，这样该阶段的损耗会比小电感设置的损耗低1.8mJ。这一结果主要受电流拖尾降低的，即更快速地达到10%的值。　　随着杂散电感的增大，的开通损耗会降低，二极管损耗则会增大(如图4所示)。图4显示了在小电感和大电感条件下二极管恢复特性的对比。　　　　图4：二极管恢复特性：上图显示的是针对两个电感的损耗/时间曲线(实线：L=23nH、虚线：L=100nH)，下图显示的是电压和电流曲线。　　显而易见，降低的di/dt几乎对二极管换流开始阶段的损耗没有任何，因为二极管电压依然维持在零左右。在反向恢复峰值电流之后，更大杂散电感引起的二极管电压升高决定并导致了额外的损耗。小电感和大电感设置的二极管拖尾电流中可再次看到交叉点c。更高的过压使得c点之前的损耗从10.1mJ增至19.6mJ。与IGBT的情况一样，增加的动态过压会导致c点之后的拖尾电流降低，大电感设置的损耗平衡将优化4.4mJ。总之，第一开关阶段起主导作用，二极管损耗随着电感的增加从24.6mJ提高至29.7mJ，增幅为20%。　　　　表2：对英飞凌IGBT的折衷：在相同杂散电感和软度条件下的关断损耗。　　实验结果的总动态损耗　　尽管在开通过程中，di/dt与寄生电感的结合可降低IGBT的电压，但在关断过程中，它将增大IGBT的电压过冲。将开通与关断过程进行左右对比，不难看出，在较大寄生电感时开通损耗的降度远高于关断损耗的增幅。　　如果考虑到最新沟槽栅场截止IGBT的关断di/dt本质上受器件动态性能的制约，约为导通di/dt的一半，就可轻松理解这一趋势。　　在图5中，对IGBT开通损耗、关断损耗以及二极管换流损耗与三款IGBT的寄生直流母线杂散电感进行了对比。　　　　图5：开关损耗作为杂散电感Ls的函数，电感的增大将降低IGBT的开通损耗(左图);IGBT的关断损耗(右图)和续流二极管关断损耗会随着电感的增大而升高。
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微信公众账号Technical TrainingL U Vce Ic Vge T1 T2 T3 Rev 02IGBT双脉冲测试方法介绍Winson Wei （魏炜） CT-Concept T h l i AG - S it CT C t Technologie Switzerland l d Wei.w
ei@ ： Mobile：186-双脉冲测试方法的意义 1.对比不同的IGBT的参数，例如同一品牌的不同系 1 对比不同的IGBT的参数 例如同 品牌的不同系 列的产品的参数，或者是不同品牌的IGBT的性能。 2. 获取IGBT在开关过程的主要参数，以评估Rgon及 Rgoff的数值是否合适，评估是否需要配吸收电路等。 3. 考量IGBT在变换器中工作时的实际表现。例如 二极管的反向恢复电流是否合适，关断时的电压尖 峰是否合适，开关过程是否有不合适的震荡等。怎样认识IGBT的特性？ 通常我们对某款IGBT的认识主要是通过阅读相应的 通常我们对某款 G 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 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。 在datasheet中，描述IGBT的开关的行为的参数主要包 括：tdon, tr, tdoff, tf, Eon, Eoff, ISC等 要观测这些参数，最有效的方法就是： 双脉冲测试方 要观测这些参数，最有效的方法就是：“双脉冲测试方 法”。双脉冲测试平台的电路 下管IGBT是被测对象！L U Vce V Ic Vge T1 T2 T3用高压隔离探头取Vce电压； 用高压隔离探头取 电压 用罗氏线圈电流探头取Ic； 用普通探头测量Vge信号。 用普通探头测量Vge信号 上管IGBT的门极上加了 负压，因此它是关断的， 只有续 只有续流二极管在起作用 极管在 作 。实际上也可以用单个二 极管代替这个IGBT。双脉冲测试的基本实验波形Vge 杂散电感产生的电压尖峰VceIct0t1t2 二极管反向恢复电流t3双脉冲实验的基本原理（1） 在t0时刻，门极放出第一个 在 时刻 门极放出第 个 脉冲，被测IGBT饱和导通， 电动势U加在负载L上，电感 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 式为：U ?t I= L在t1时刻，电感电流的数值由 U和L决定，在U和L都确定时 决定 在 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 越长 电流越大 因此可以自 主设定电流的数值。Vge VceIc t0 t1双脉冲实验的基本原理（2） 在t1时刻，被测IGBT关断， 在 时刻 被测 关断 负载L的电流由上管二极管 续流，该电流缓慢衰减，如 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 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。L U Vce Ic Vge T1 T2 T3双脉冲实验的基本原理（3） 在t2时刻，第二个脉冲的上 在 时刻 第 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 导通 续流二极管进入反向 恢复，反向恢复电流会穿过 在电流探头 能捕 IGBT，在电流探头上能捕 捉到这个电流，如图所示。L U Vce Ic Vge V T1 T2 T3在t2时刻，重点是观察IGBT 的开通过程。反向恢复电流 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 在 时刻 被测 再次关 断，此时电流较大，因为母 线杂散电感的存在，会产生 线杂散电感的存在 会产生 一定的电压尖峰，L U Vce Ic Vge T1 T2 T3杂散电感产生的电压尖峰在t3时刻，重点是观察 IGBT的关断过程。电压尖 的关断过程 电压尖 峰是重要的监控对象。VgeVceIct0t1t2 二极管反向恢复电流t3双脉冲实验的实测波形 脉冲实验的实测波形双脉冲实验的关注点----开通过程 右图是IGBT典型的开通波 形，当门极电压到达门槛值 时，IGBT导通，Ic开始增长 时 IGBT导通 I 开始增长 ， 直到Ic基本到达电感电流 的数值，续流二极管进入反 向恢复后，IGBT的Vce才开 始下降，反向恢复过程结束 后，续流二极管截止，Vce 到达饱和值，换流过程完成 。双脉冲实验的关注点----开通过程 右图是IGBT实测开通波形 ，我们需要关注的点是： 1. 二极管的反向恢复电流 的di/dt， 2. 二极管的反向恢复电流 的峰值， 的峰值 3. 反向恢复后电流是否有 震荡，拖尾有多长， 4. Vce电压是否正确变化 5. 测算出损耗，(依赖示波 器功能) 调整门极电阻Rgon可以强烈地影响该过程，用 调整门极电阻R 可以强烈地影响该过程 用 以确定Rgon的数值是否合适。红线:Ic 蓝线:Vce 绿线:Vge 绿线 V关于二极管的讨论 IGBT中的续流二极管，实际上是一个非常重要的元件，但往 IGBT中的续流二极管 实际上是 个非常重要的元件 但往 往容易被忽视。请注意以下几条： 1. 在IGBT开通的时刻，实际上是续流二极管关断的时刻。 2. 2 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。换句话 说，在IGBT关断的时刻，IGBT芯片的损坏风险是最大的； 在IGBT开通的时刻， 极管芯片的损坏风险是最大的。 在IGBT开通的时刻，二极管芯片的损坏风险是最大的。 3. IGBT芯片出现短路时，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 芯片损坏时 有其他的防护手段IGBT开通过程中二极管的风险点（1） 右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。 恒功率曲线 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 迹A是最安全的 轨迹C则 是危险的。IGBT开通过程中二极管的风险点（2）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损 耗的波形。 二极管反向恢复电流上升时，杂散电感上产生的电压是与母线电压相抵 的。反向恢复电流下降时，杂散电感电压与母线电压同向，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 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，容易跑出安全工作区。IGBT开通过程中二极管的风险点（3）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 流震荡。 二极管反向恢复电流的前沿的斜率受Rgon的影响很大，但反向恢复电流 的后沿的形状（即其下降的部分），主要由IGBT厂商设计出来的。在大 功率的场合，通常需要追求的二极管的软度。这主要体现在反向恢复电 流的后沿的形状。通过开通过程观察并联的动态均流水平 在IGBT开通时，Rgon 在 开通时 的影响很大，它可以影 响di/dt的速度，反向恢 响di/dt的速度 反向恢 复电流的峰值，进而决 定开 损耗 定开通损耗。 所以确定Rg最好的方法 是靠双脉冲测试法，动 是靠双脉冲测试法 动 态调试该参数。 下图是在3个IGBT并联的情况下 测试的开通波形，蓝橙红分别 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。 况 从而进行动态均流调试双脉冲测试在并联中 的应用！利用开通过程测量主电路杂散电感 利用 通过程测量主电路杂散电感在IGBT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，上管Uce=0。 在Ic开始增长时，杂散电感上感应的电压的 在I 开始增长时 杂散电感上感应的电压的 方向如图所示，是与母线电压相反的，所以 此时在下管的Vce上测得的波形出现了一个 缺口，如右图波形中的虚线所示。这个缺口 缺口 如右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。UsdidtU S = LS × didtULsUceL从示波器上读出Us，再读出di/dt，代进上式， 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 这个模型是比较准确的 因此得出的数据比较 可靠。Vce Ic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 关断过程的关注点为V 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 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 个 峰 会达到最高值，比正常工作 时要高得多，通常可以使用 时要高得多 通常可以使用 有源钳位电路(Active Clamping)进行抑制。 p g)进行抑制为什么要用双脉冲，单脉冲不行吗？ 在大部分电力电子装置中，负载的电感量都比较大， 在大部分电力电 装 中 负载的电感 都 较大 在IGBT关断后，电感电流一般不会断流，二极管会一 直续流，在此时开通IGBT，会有二极管的反向恢复过 程。而单脉冲实验中是没有二极管反向恢复过程的， 程 而单脉冲实验中是没有二极管反向恢复过程的 因而双脉冲实验比单脉冲实验真实。但是单脉冲实验可以充分观察关断过程，如果只需要 但是单脉冲实验可以充分观察关断过程 如果只需要 关注关断过程，则单脉冲实验也是可以的。实验前的计算工作 在这个实验中，涉及4个 在这个实验中 涉及4个 物理量： 1.母线电压(U) 2.电感电流(I) 3.电感量(L) 4.脉冲宽度（t） 脉冲宽度它们之间的关系用下面的式子建立起来：I=U ?t L我们以FF为被测对象，做一次计算：实验前的计算工作Vge 杂散电感产生的电压尖峰LVceU VceIcIct0 t1 t2 二极管反向恢复电流 极管反向恢复电流 t3Vge T1 T2 T3U取IGBT的额定母线电压： U取IGBT的额定母线电压 1100V I取此IGBT的安全工作区的 边缘：2000A， L取实验室条件下简单绕制 的空心电感：28uHU ?t 代入 I = L得 t=51us 从上图可知，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： 2个脉冲的宽度之和为 T1+T3=51us实验前的硬件准备工作 我们需要的硬件包括： 1. 高压电源 2. 电容组 3. 叠 直流母排 叠层直流母排 4. 负载电感（可以自己绕制，不要饱和即可） 5. 5 被测IGBT及驱动电路 6. 示波器（最好是4通道，高带宽） 7. 高压差分电压探头 8. 罗氏线圈电流探头 9. 可编程信号发生器或简易信号发生装置（发出一组双 脉冲信号）实验仪器 罗氏线圈电流探头： 多通道示波器及高压差分探头：双脉冲测试实验台
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