雙脈沖試驗(yàn)及注意事項(xiàng)對(duì)于電力電子工程師來說，功率元件是我們的設(shè)計(jì)對(duì)象，而IGBT由于其優(yōu)良的特性被廣泛應(yīng)用于功率元件。功率元件的效率、保護(hù)功能、EMC等性能與IGBT的應(yīng)用設(shè)計(jì)密切相關(guān)，不同的IGBT技術(shù)也造就了不同性能的IGBT產(chǎn)品。為了優(yōu)化和驗(yàn)證元器件的性能，驗(yàn)證不同IGBT的性能，我們引入了雙脈沖測(cè)試方法。通過這個(gè)工具，我們可以實(shí)現(xiàn)以下具體功能：

詳細(xì)了解IGBT參數(shù)，如Eon、Eoff、Tdon、Tdoff、Tr、Tf、貼片開關(guān)特性等。本次測(cè)試的意義在于驗(yàn)證datasheet中的參數(shù)值，評(píng)估不同模塊的性能。

驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)評(píng)估。 Rg、Cg和柵極電纜的選擇會(huì)影響柵極的波形、是否振蕩、dv/dt、di/dt等特性。此外，米勒鉗位、柵極鉗位、有源鉗位、軟關(guān)斷設(shè)計(jì)均可在此測(cè)試中進(jìn)行評(píng)估。

熱設(shè)計(jì)參數(shù)檢查，通常的熱設(shè)計(jì)是根據(jù)規(guī)范中的Eon，Eoff，這些給出的值是根據(jù)具體的測(cè)試條件，由于模塊性能的優(yōu)化和平衡要求，實(shí)際的Eon，Eof是常與理論值不符。例如，由于EMC的要求，我們希望dv/dt、di/at越小，這就會(huì)導(dǎo)致Eon、Eoff越大。通過本次測(cè)試，我們將得到真實(shí)的Eon、Eoff值，使仿真更加逼真。系統(tǒng)雜散電感：模塊工作電壓在任何情況下都應(yīng)低于額定電壓，低溫時(shí)應(yīng)考慮降額。 IGBT的電壓峰值還取決于系統(tǒng)雜散電感、關(guān)斷時(shí)的di/dt、母排電壓等。通過本次測(cè)試可以評(píng)估系統(tǒng)允許的最大雜散電感，并可以比較不同母排的雜散電感.

Sink電路檢查：當(dāng)關(guān)斷峰值過大時(shí)，我們需要一個(gè)緩沖電路來降低峰值電壓。緩沖電路的形式、緩沖元件的電容、內(nèi)部電感和放置位置都會(huì)影響峰值電壓的大小。過流和短路保護(hù)電路檢查：本實(shí)驗(yàn)需要檢查關(guān)斷峰值電壓、關(guān)斷時(shí)的柵極波形、短路電流、保護(hù)電路的動(dòng)作時(shí)間，以及是否有振蕩。匯流排和交流排并聯(lián)設(shè)計(jì)：當(dāng)模塊需要并聯(lián)工作時(shí)，模塊的結(jié)溫與模塊的均流程度有關(guān)，這將導(dǎo)致模塊能否可靠工作，以及模塊的工作時(shí)間長(zhǎng)短。生活是。整個(gè)系統(tǒng)的壽命取決于模塊最壞的工作條件狀態(tài)。不僅如此，多個(gè)模塊的并聯(lián)也對(duì)過流和短路保護(hù)的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

如上圖所示，雙脈沖測(cè)試系統(tǒng)由直流電源、母線支撐電容、吸收電容、驅(qū)動(dòng)電路、被測(cè)GBT、負(fù)載電感、示波器、電壓探頭和羅氏線圈組成。由于IGBT通常工作在高溫下，其性能與低溫下不同。我們還需要一塊熱板來了解IGBT在不同溫度下的特性。

上圖中，IGBT的上管在初始脈沖時(shí)截止，下管在接收到脈沖時(shí)導(dǎo)通，母線電壓通過負(fù)載電感L，與下管IGBT形成回路，而電感上的電流由于電壓的存在而上升，電感上的電流可由di=dt(U/L)得到。

同時(shí)母線電壓也可以調(diào)節(jié)，電感的大小和導(dǎo)通時(shí)間可以獲得不同的峰值電流。第一個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)，IGBT關(guān)斷，電感上的電流繼續(xù)流經(jīng)上管的二極管。由于雜散電感的存在，電流不能突然變化，會(huì)在關(guān)機(jī)瞬間造成峰值電壓。關(guān)斷峰值電壓可由U=L*di/dt計(jì)算。

在第二個(gè)脈沖發(fā)出前，上管二極管處于續(xù)流導(dǎo)通狀態(tài)。第二個(gè)脈沖發(fā)出后，上管的二極管反向恢復(fù)，這個(gè)電流會(huì)流過下管，而電感電流繼續(xù)上升，關(guān)斷時(shí)下管會(huì)出現(xiàn)較大的電壓尖峰.如果需要觀察二極管的反向恢復(fù)特性，需要觀察脈沖導(dǎo)通時(shí)的波形。

下圖是實(shí)測(cè)雙脈沖波形：

雙脈沖測(cè)試設(shè)備

用戶可以購(gòu)買或制作自己的雙脈沖測(cè)試平臺(tái)，包括以下部分：

直流電源：所有配置的直流電源電壓應(yīng)大于模塊的額定電壓。由于負(fù)載是短時(shí)脈沖，直流電源一般在1KW左右。低壓驅(qū)動(dòng)電源：如果驅(qū)動(dòng)核有隔離穩(wěn)壓功能，可選用24V輸入，電流1A左右的可調(diào)穩(wěn)壓電源，根據(jù)需要調(diào)節(jié)功率輸出。驅(qū)動(dòng)核心。如果驅(qū)動(dòng)電路沒有隔離和穩(wěn)壓功能，則低壓電源應(yīng)具有此功能。隔離電壓大于模塊額定電壓的兩倍，電壓輸出精度在正負(fù)0.2V以內(nèi)。

母線支撐電容：當(dāng)IGBT開關(guān)時(shí)，能量由電容提供。通常被測(cè)IGBT模塊的電流約為幾安培到兩千安培，相應(yīng)的電容在幾百微法到幾毫法之間線性選擇。直流母線：平臺(tái)測(cè)試設(shè)備針對(duì)不同的功率元件，每個(gè)元件的母線電感不同。為了模擬不同元件的母線電感，平臺(tái)中的直流母線可以做成可調(diào)電感形式。更好的方法是使端子與模塊接觸的長(zhǎng)度可調(diào)。

電感：電感在系統(tǒng)中有兩個(gè)作用，一個(gè)是作為負(fù)載調(diào)節(jié)輸出電流，觀察模塊在不同電流下的開關(guān)狀態(tài)等，另一個(gè)作用是模擬不同的工作狀態(tài)，比如短路電纜的長(zhǎng)度，該電感在大電流下無需飽和，一般制成帶空心抽頭的可調(diào)電感。可調(diào)電感范圍通常在幾十納亨到幾微亨左右。

熱板：模塊的開關(guān)特性與溫度有關(guān)。例如，125度時(shí)的開關(guān)損耗是25度時(shí)的1.38倍。詳細(xì)解釋請(qǐng)參考賽米控應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)第279頁，或中文版第292頁。在驗(yàn)證IGBT在不同溫度下的性能時(shí)，可以用萬用表檢測(cè)內(nèi)部NTC或PTC溫度，以確認(rèn)芯片已達(dá)到要求的溫度。

雙脈沖發(fā)生器：雙脈沖發(fā)生器可以提供測(cè)試測(cè)試信號(hào)需要獨(dú)立控制脈沖寬度和脈沖間隔。

密閉柜及卸料裝置：保護(hù)。

驅(qū)動(dòng)電路：盡量選擇被測(cè)模塊實(shí)際使用的驅(qū)動(dòng)核。由于不同驅(qū)動(dòng)核的推挽電路性能不同，在相同的柵極配置下可能會(huì)出現(xiàn)不同的柵極特性。

示波器和探頭：用于測(cè)試柵極電壓的差分低壓探頭，用于測(cè)試CE和Rogowski線圈之間用于測(cè)試電流的峰值電壓的差分高壓探頭。使用實(shí)際功率元件作為測(cè)試平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的雙脈沖測(cè)試平臺(tái)更適合比較不同模塊的性能參數(shù)，但I(xiàn)GBT實(shí)際工作在組件中，系統(tǒng)的雜散電感，驅(qū)動(dòng)電路等與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試平臺(tái)不一致，要評(píng)估組件中IGBT的實(shí)際性能，可在實(shí)際組件中進(jìn)行雙脈沖測(cè)試，使測(cè)試結(jié)果更接近實(shí)際情況。用戶只需更改軟件即可實(shí)現(xiàn)該功能。

測(cè)試注意事項(xiàng)

安裝測(cè)試系統(tǒng)或接觸IGBT模塊時(shí)，佩戴防靜電腕帶并確認(rèn)保護(hù)有效。

根據(jù)測(cè)試目的選擇合適的測(cè)試平臺(tái)。例如，最好測(cè)試元件中的Eon和Eoff，因?yàn)橄到y(tǒng)的雜散電感更接近實(shí)際工作情況。

為獲得準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試設(shè)備必須定期由專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)，尤其是測(cè)試探頭。

準(zhǔn)確的測(cè)試需要將示波器預(yù)熱10-20分鐘，這樣采樣數(shù)據(jù)才準(zhǔn)確。

在測(cè)試過程中，應(yīng)注意干擾可能導(dǎo)致測(cè)試不準(zhǔn)確。測(cè)試探針的放置有很大的影響。它可以垂直于被測(cè)設(shè)備并遠(yuǎn)離大的di/dt、dv/dt噪聲。測(cè)試時(shí)探頭應(yīng)扭轉(zhuǎn)。減少共模噪聲的干擾。測(cè)試脈沖寬度應(yīng)考慮IGBT允許的最窄脈沖。如果脈沖太窄，內(nèi)部載波不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致模塊振蕩等異常現(xiàn)象。通常窄脈沖限制在4us以上。

被測(cè)器件中不工作的IGBT應(yīng)鉗位至負(fù)電壓或柵極與發(fā)射極短接，否則因噪聲干擾或米勒效應(yīng)等會(huì)誤導(dǎo)pass模式快。如下圖所示，大的dv/dt導(dǎo)致電流通過米勒電容流向柵極，在柵極和發(fā)射極阻抗上產(chǎn)生壓降，這可能會(huì)導(dǎo)通IGBT。

大功率模塊測(cè)試需要的電流比較大。這時(shí)要注意母線電壓的下降。應(yīng)提高母線的輸入電壓，以補(bǔ)償脈沖測(cè)試時(shí)的壓降，以免影響測(cè)試結(jié)果。由于模塊中雜散電感的存在，輔助端在測(cè)試IGBT關(guān)斷峰值時(shí)更接近芯片的實(shí)際峰值電壓。短路測(cè)試時(shí)脈沖寬度不能高于10us，這樣即使10us內(nèi)保護(hù)電路沒有關(guān)斷模塊，雙脈沖測(cè)試設(shè)備也會(huì)關(guān)斷。 - 一般不會(huì)被銷毀。柵極電纜的長(zhǎng)度對(duì)測(cè)試結(jié)果有影響，它會(huì)導(dǎo)致柵極波形發(fā)生變化，而柵極波形會(huì)影響損耗和短路電流等參數(shù)，因此電纜長(zhǎng)度應(yīng)接近實(shí)際工作測(cè)試期間的條件。 IGBT允許的最大工作峰值電流為額定電流的兩倍，除短路測(cè)試外，實(shí)測(cè)電流不應(yīng)超過模塊額定電流的兩倍。

由于IGBT內(nèi)部布局的不同，上下管的雜散參數(shù)不同。這些差異會(huì)反映出上下管特性的不一致，因此在雙脈沖測(cè)試時(shí)應(yīng)分別對(duì)上下管進(jìn)行測(cè)試。

關(guān)于是否加緩沖電容，如果是為了驗(yàn)證模塊的性能，是不需要加緩沖電容進(jìn)行測(cè)試的。在驗(yàn)證組件的性能時(shí)，將模塊放入組件中進(jìn)行測(cè)試。此時(shí)必須與組件的實(shí)際設(shè)置一致。如果該組件實(shí)際上與吸收電容器一起工作，則需要添加它。

系統(tǒng)中存在強(qiáng)干擾和不同參考電位，盡量采用光纖作為雙脈沖發(fā)生器與驅(qū)動(dòng)器的接口。

安全須知

由于系統(tǒng)中的高電壓，測(cè)試人員需要在被允許進(jìn)行測(cè)試之前接受培訓(xùn)。

測(cè)試人員需配備防護(hù)用品，如絕緣鞋、防護(hù)眼鏡等。

雙脈沖測(cè)試至少需要兩人同時(shí)進(jìn)行。

雙脈沖平臺(tái)應(yīng)有緊急斷電裝置。

雙脈沖測(cè)試平臺(tái)機(jī)柜、高壓電源和示波器應(yīng)可靠接地，否則有觸電危險(xiǎn)。

電容器組應(yīng)有強(qiáng)制放電裝置。

每次打開測(cè)試平臺(tái)調(diào)整設(shè)置或拆卸模塊時(shí)，應(yīng)使用萬用表檢查系統(tǒng)是否完全放電。

母線電壓充電前，先給低壓系統(tǒng)上電，用雙脈沖測(cè)試設(shè)備測(cè)試脈沖，確認(rèn)驅(qū)動(dòng)板工作正常。確認(rèn)無誤后，將輸出電壓由低調(diào)至高，將輸出脈沖由短調(diào)至長(zhǎng)，每次測(cè)試完成后將高壓電源電壓和脈沖寬度復(fù)位為0。

試驗(yàn)前，試驗(yàn)者應(yīng)交叉檢查接線是否正確。

上電時(shí)，驅(qū)動(dòng)器必須先上電，斷電時(shí)，主電源必須先斷電，然后降為0才允許驅(qū)動(dòng)器斷電，否則門極可能會(huì)誤導(dǎo)通不受控制的狀態(tài)。

以上雙脈沖試驗(yàn)及注意事項(xiàng)由普科科技/PRBTEK整理分享， 西安普科電子科技有限公司致力于示波器測(cè)試附件配件研發(fā)、生產(chǎn)、銷售，涵蓋產(chǎn)品包含電流探頭、差分探頭、高壓探頭、無源探頭、電源紋波探頭、柔性電流探頭、近場(chǎng)探頭、邏輯探頭、功率探頭和光探頭等。旨在為用戶提供高品質(zhì)的探頭附件，打造探頭附件國(guó)產(chǎn)化知名品牌。

審核編輯 黃宇