关键词：双脉冲；IGBT；波形

1  引言

在逆变器的常规设计中需要对IGBT的驱动电路进行必要的测试以便掌握IGBT稳态和暂态过程中的主要参数用以评估IGBT模块和驱动电路的性能，并进行电路参数的优化。双脉冲测试法可以便捷的测试IGBT模块和驱动的性能，具体包括测试IGBT的实际工况、开关损耗、关断电压尖峰、开关暂态震荡情况、二极管反向恢复电流、杂散电感影响等。

2  双脉冲测试法

2.1  双脉冲实验平台

双脉冲实验平台电路图如图1所示，通常做法是将IGBT上桥臂加入负电位，将电抗与上桥臂并联，给下桥臂加入双脉冲信号，测量下桥臂Vce，测量下桥臂Ic电流。由于IGBT上桥臂加入负压，所以IGBT上桥臂处于关断状态，只有续流二极管可正常发挥作用，可以较好的观察续流二极管的各项参数。

图１  双脉冲实验平台电路图

2.２  双脉冲测试时的基本试验波形

图２  基本试验波形

如图2双脉冲测试的基本试验波形，整个测试过程分为4个阶段，其中绿色波形为IGBT的驱动波形Vge，蓝色的波形为IGBT的CE间的电压波形Vce，黑色波形为IGBT导通时的电流波形Ic。

2.3  双脉冲实验的基本原理

图3  各阶段过程图

图4  双脉冲测试第1阶段

第1阶段如图4，在t0时刻，门极放出第一个脉冲，被测IGBT饱和导通，电压U加在负载L上，电感电流线性上升，电流表达式为：

I=U*t/L    （1）

从公式（1）上看电感电流在直流母线电压U与电抗电感量L一定时，电流I的大小就完全取决于t的大小，而t=（t1-t0）也就是脉冲的宽度。脉冲宽度越大，最终电流值则会越大。因此可以通过自主设定脉冲的宽度来适应各类IGBT的试验。
                                                  

  图5  双脉冲测试第2阶段

第2阶段如图5，在t1时刻第一个脉冲结束，下桥臂被测IGBT开始关断，负载L为电感，电感两侧电压不能突变，电流延上图中红色路线流通，经续流二极管回到母线并缓慢衰减。由于电流探头放在下管的发射极处，因此在下桥臂关断时电流经上桥臂二极管进行续流并不流过下桥臂，因此示波器上看不到此电流，图中虚线处表示流过线圈的续流电流。

图6  双脉冲测试第3阶段

第3阶段如图6，在t2时刻第二个脉冲到达，下桥臂重新开通，此时Ic所测得的电流为电感中的电流加上续流二极管的反向恢复电流。此时所测到的尖峰电流为二极管内部反向恢复电流。此时驱动信号上升沿的快慢对此电流的大小具有一定的影响作用，Ron（驱动导通时电阻值）越大，Idc（续流二极管反向恢复电流）相应减小。

图7  双脉冲测试第4阶段

第4阶段如图7，在t3时刻驱动信号截止，下桥臂IGBT关断，此时由于母线上存在一定的杂散电感，所以在关断时产生高于母线电压的电压尖峰。此阶段重点观察尖峰电压的大小，以判断单元结构是否合理，加上突波吸收电容后，再次试验，观察最高电压尖峰的大小及震振情况。

2.4  续流二极管

2.4.2  二极管风险评估

由图3可以看出，在下管IGBT开通时，也就是上管续流二极管关断的时候。而实际上当二极管由正向导通到二极管承受反向电压而截止时，二极管将内部PN结内积累的电荷进行释放并形成一个反向恢复电流。当反向电压加在二极管两侧，并反向电流过大时，此时如果二极管反向瞬时功率过大则二极管有损坏的危险存在。

图8  安全工作区

如图8二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。

2.4.1  二极管反向恢复电流的测试

图9  T3开通时刻二极管反向恢复

如图9所示，测量上桥臂Uce也就是二极管电压V_F。当第三个阶段开始时续流二极管由续流状态转为截止状态，此时测量的二极管电压由一个管压降状态迅速升至直流母线电压，在此时可通过示波器上的计算功能计算出二极管上的瞬时功耗，并与IGBT资料中二极管反向功率值进行比对。图5中I_D为二极管反向恢复电流，I_C为二极管反向恢复电流与电流中续流电流之和：

I_C=I_D+I_L                (2)

实际实验时由于测量点并不一定能安装到预定的位置时，可通过测量I_C处电流来得到I_D的值，如图6所示。

图10  第3阶段实际各点波形

2.5  di/dt及杂散电感的估算

图10给出在实测时的波形，在第三阶段时，Ic开始上升（红色波形）下桥臂Vce开始下降，而此时LS处于电流从零到峰值的变化过程中，在电流上升过程中处于分压状态，所以此时在示波器中观测到有Us大小的缺口存在，换个角度来说Us就是L在导通时所承受的电压，它与电流上升时间相一致。所以跟据电感公式为：

Us=Ls*di/dt    （3）

所以：

Ls=Us/(di/dt)    （4）

式中：Ls为杂散电感的值。

2.6  如何调节二极管反向电流的峰值

在长期工作中，经过长期反复的观察总结，Ron（IGBT门极驱动开通电阻）对di/dt的值及二极管反向峰值的大小具有较大的影响，Ron越大，IGBT开通越缓，di/dt的值越小，反向电流峰值越小，实际上是利用IGBT在开通时瞬态处于放大工作区时对电流产生抑制作用，所以Ron的值越大，IGBT在放大区停留的时间就会越大，从而开关损耗就会越大。Ron的选取没有固定值，要跟据具体结构，在试验中应合理选配Ron的值，使其综合性能达到最大。

2.7  关断过程中二极管参数及杂散电感的影响：

关断过程中由于有杂散电感的存在，会在较大电流关断时在IGBT两侧产生较高的电压尖峰，如图11所示。

图11  关断过程中产生电压尖峰

Vce尖峰在短路及过流时将会达到最大值，此时即使IGBT已经关闭，但如果电压尖峰达到或超过IGBT耐受电压值时，IGBT仍然有损坏的可能。此种情况可通过电路中有源钳位功能来避免，也可以采用突波电容进行吸收，使其瞬态能量进行衰减震荡，图12为采用突波电容时衰减震荡波形，此时IGBT相应的损耗会有所增加。图13为短路时的有源钳位波形。

图12 实际采用突波吸收电容后的波形

图13  实际有源钳位动作后的波形

此时Roff的取值也较为重要，如采用有源钳位时，Roff的值可小一些，以减小开关损耗。如采用突波吸收方式时，Roff的值可适当加大，以有利于突波电压的吸收。
3 结论

对比不同的IGBT的参数，例如同一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。获取IGBT在开关过程的主要参数，评估Rgon及Rgoff的数值是否合理，评估是否需要配吸收电路，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。

通常我们会通过datasheet来认识IGBT，但实际上数据手册中描述的参数只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，我们需要了解IGBT在具体应用中最真实的表现，最有效的方法就是“双脉冲测试方法”。