双脉冲试验读懂IGBT性能

接触IGBT的工程师，都避免不了双脉冲试验，这是测量IGBT性能的关键试验。简单理解双脉冲试验的原理非常简单，但是，要想把试验测到的数据应用到设计参数计算中去，就要好好琢磨一下这个简单的变化过程中的门道啦。

话不多说，上图：

半桥的上管保持常闭状态，并联电感，下管门极发送连续两个脉冲，检测下管两端的电压Vce以及下管集电极电流Ic，如有条件，可同时检测上管反向二极管两端的电压VF。不得不说设计双脉冲试验的人是个天才，通过短暂的开通关断过程，同时观察IGBT及FRD的性能。

试验目的：

• 测量td_on、tr、td_off、tf、Eon、Eoff、Irr、Ls等参数；
• 通过以上参数，优化驱动设计，对比器件性能；
• Datasheet中包含上述数据，但一般不是我们设计参数下的数据；至于以上参数的含义，后续会做详尽解释。

下边通过试验波形一一解释各关键点的变化：

• t0时刻：下管IGBT饱和导通，电压加在电感L上，电流Ic线性上升，Ic=U*t/L；

• t1时刻：下管关闭，电感电流通过上管反向二极管续流；

• t2时刻：下管重新打开，电流由二极管转向下管IGBT，并且续流二极管进入反向恢复，反向恢复电流同样流过下管IGBT，可通过IC检测出来，这个过程重点关注二极管的反向恢复过程；

• t3时刻：下管再次关断，由于变流路线杂散电感的原因，下管IGBT芯片两端会叠加电压尖峰，需重点关注。

以上是双脉冲试验的完整过程，看起来很简单对吧，下边关键的地方来啦，先从比较好理解的关断开始。

前边说了，动态过程中杂散电感的影响非常重要，因为它看不见，容易被忽视，那么就从关断时刻先把这家伙搞清楚。

首先，给出考虑杂散电感的等效线路模型，得上大图：

汽车Inverter应用中，U可以认为是支撑电容电压，线路中的杂散电感主要包含【DC-Link+排线】杂散电感(Ls1和Ls8)和IGBT模块的杂散电感（Ls2~Ls7）。

分析：以t3关断时刻为例，电流发生变化，考虑杂散电感的影响，测量出Vce之间的电压会叠加上Ls*di/dt，Ls=Ls1+Ls2+Ls3+Ls4+Ls7+Ls8，杂散电感感应电压方向与U方向一致，因此出现关断电压尖峰；

实际芯片两端电压还要考虑Ls5和Ls6的影响，无法直接测得，因此规格书上给出反偏安全工作区RBSOA。

画重点：芯片两端电压不得超过图中虚线范围，考虑到实际测量时C、E端子与芯片间存在杂散电感，因此C、E端子间电压不得超过上图中实线范围。

开通过程需关注哪些特性呢？

• 反向恢复电流的峰值，它受二极管特性及驱动电阻的影响；
• 反向恢复电流的di/dt，包含前沿和后沿，前沿受驱动参数影响，后沿是二极管本身特性；
• 反向恢复电流是否有震荡，拖尾多长；
• 可通过示波器测算开通损耗和反向恢复损耗。

   

开通过程：

上图中的反向恢复电流是叠加在IGBT上的，反向恢复过程二极管的电压电流变化过程如下图所示。

IGBT的开通时刻是二极管的关断时刻，对于功率半导体器件，关断时刻的风险远大于开通时刻的风险，直观理解就是关断时刻电应力更大；

关断过程反向恢复电流前沿（红线左）变化产生的杂散电感电压与U相反；后沿电流变化产生的杂散电感电压与U方向相同，电压叠加在二极管上，二极管损坏的风险加大，此时，Vf=U-Vce+Ls*dIrr/dt。这种情况下需保证反向二极管的工作点切换不超过下图的安全工作区，即轨迹C是最危险的。

从上边的分析能看出来，反向恢复电流后沿的变化率影响很大，通常所说的软度，指的就是这个。

反向恢复电流的大小和变化率影响开关的很多性能，例如反向恢复损耗，EMC性能、反向恢复电流震荡等，因此需限制其在合理的范围之内。

前边已经讲述了许多杂散电感影响电压的机理，那么，利用下图开通的时刻波形，计算系统杂散电感的公式，就作为简单的思考啦。

提示：关断时刻杂散电感产生的电压与U方向一致，叠加到IGBT上，那么开通时刻呢，当然相反喽，于是有：Us=Ls*di/dt，Us即为杂散电感感应电压，参考上图。

跟这个世界上大多数事物一样，IGBT的使用是个矛盾的事情，例如，提升开通关断速度，可以降低开关损耗，但伴之而来的则是EMC的恶化和关断电压尖峰的提升；

从IGBT双脉冲波形中可以读出的参数，对驱动及算法的设计具有很大的帮助，未完待续。

参考：魏炜 《IGBT双脉冲测试方法介绍》

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/XhIX-4Qhqh0A4_Ud0n-5jg