IGBT双脉冲测试原理是什么?
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发布时间：2024-09-27 19:18
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时间：2024-09-27 19:31
RIGOL IGBT双脉冲测试应用
引言
功率半导体器件本质是利用半导体的单向导电性改变电路中的电压、电流、频率、导通状态等物理特性，实现电源开关和电力转换等管理。功率半导体种类较多，根据可控性可分为不可控型（二极管）、半可控型（晶闸管）及全控型（IGBT、MOSFET为主）。其中IGBT（绝缘栅双极晶体管）被广泛应用于中、高电压及大电流场合的功率半导体器件。它综合了MOSFET和双极晶体管的优点，具有导通压降低、开关速度快、电流和电压定额高等特点，被广泛应用于变频器、电动汽车、可再生能源发电等领域。
IGBT测试通常分为静态参数测试和动态参数测试两大类。静态参数测试主要是对IGBT在静态（即开关状态不变）条件下的电气特性进行测试，常见的测试项目有门极阈值电压（VGE(th)）、门极截止电压（VGE(off)）、集电极-发射极饱和电压（VCE(sat)）等；动态参数测试主要评估IGBT在开关过程中的性能，包括开关时间、能量损耗等，常见测试项目是开关时间（tf, tr）、开关能量（Eon, Eoff）等等。
双脉冲测试时IGBT中动态参数测试中最常用的测试方法工程师为了能够评估和选择最适合IGBT模块，优化驱动电路和散热设计，提高系统的效率和可靠性，并在设计和研发阶段发现潜在的问题，避免在实际应用中出现故障，通常会进行双脉冲测试。通过这种测试，可以评估IBGT模块的性能和可靠性。
测试挑战
双脉冲测试电路如图所示。被测对象为下桥臂的的IGBT和上桥臂的二极管。负载电感与上桥臂的IGBT、二极管并联，上桥臂的IGBT的门极上加上负电压保证上桥臂IGBT是关断的。测试时用示波器观察开关波形并测量开关参数，高压隔离探头测量栅极和发射级间电压，即Vce；电流探头测量流经发射级的电流，即Ic；低压探头测量栅极的驱动信号，即栅极与发射级间电压，即Vge。
图2：双脉冲测试原理图
对被测器件施加两个脉冲驱动信号，在第一个脉冲达到设定电流后关断IGBT，观测待测器件的关断过程；随后在第二个脉冲的上升沿观测待测器件的开通过程，典型双脉冲波形如下图所示：
图3：双脉冲波形
从如上图波形图可以看出双脉冲测试基本经过4个阶段：
l T0时刻，IGBT的门极收到第一个脉冲所以饱和导通，电容的电动势加在电感L上，电感电流线性上升，通过调节第一个脉冲时间也就是IGBT导通时间可以控制电流大小，并再次之后脉冲结束IGBT关断。
l T1时刻，IGBT关断，电流探头测试位置处没有电流，所以示波器上测试电流为0。由于寄生电感的原因在关断瞬间Vce会产生电压尖峰。
l T2时刻，IGBT接收到第二个脉冲再次导通，上桥臂二极管反向恢复导致反向恢复电流穿过IGBT，反向恢复电流和电感L的电流叠加产生电流尖峰。
l T3时刻，第二个脉冲结束，IGBT再次关断，因为杂散电感的原因会产生电压尖峰。
在测试过程中我们需要关心测试中电压电流的异常震荡、反向恢复时间、上升时间、关断/开通时间等参数，测试过程中会使用示波器、信号源设备完成测试，完成这些测试对测试设备也提出一些要求：
u 高压测试下的带宽和通道数：IGBT器件每一次的通断和关断都伴随着快速变化的高压降低到0，需要测试设备在高压测试有足够的带宽准确的测试上升时间。同时一次测试需要完成同时测试Vge、Vce和Ic，至少具备3通道满足测试。
u 精确捕获电压尖峰和异常震荡：在测试中通常会因为寄生电感等其他原因产生脉宽较窄的电压尖峰，评估关断电压尖峰应力，需要设备能准确的采集窄过冲。在测试过程中工程师会关注电压和电流波形是否会产生异常震荡，需要测试设备能精确的采集异常震荡。
u 精确测试高压信号：IGBT测试通常会到几百伏的高压，需要设备具备相对应的高压测试量程并能精确测试高压信号。
u 优秀的抑制噪声能力：测试时共模噪声会影响测试结果的准确性，同时也要尽可能的减小谐振的影响。
u 双脉冲波形输出的易操作性：双脉冲波形的控制和编辑需要易于工程师操作，快速完成波形的创建和下发
解决方案
双脉冲测试是了解IGBT在具体应用中更真实的表现，方便工程师更好的评价IGBT器件。RIGOL推出双脉冲测试方案帮忙工程师更高效的完成双脉冲测试。测试过程中通常需要DP3000系列高压信号源对电容进行充电，待充满电之后再由电容进行放点；使用信号源DG2000系列输出双脉冲信号控制IGBT的关断和导通，同时用示波器DHO4000系列搭配光隔离探头PIA1000系列、无源探头以及电流完成Vge、Vce和Ic完成双脉冲测试。
如下图为典型双脉冲实测波形，图中波形CH1为Vge、CH2为Vce、 CH3为Ic。当然还可以通过MATH数算中的乘法计算Ic*Vce的数学计算结果，表示开关管的功耗。根据电流电压波形，可测得动态开关的时间参数，如Td(on), Ton, Td(off), Toff等。
如下展示双脉冲测试所需要的设备。
高压电源：可编程高压电源需要给电容进行充电，推荐DP3000系列高压电源，DP3000系列包含750W、1500W和3000W 3个功率的可编程直流电源。它们拥有5位数显高精度，定以及显示分辨率可达0.1mV/0.1mA，同时采用错相技术设计，有效降低输出纹波与噪声提供纯净电源输出，保证设备的可靠及用电安全。
双脉冲信号源：双脉冲测试中需要用户能够创建具有不同脉宽的脉冲，这一直是主要的用户痛点，因为创建具有不同脉宽的脉冲的方法耗时，所以需要信号源具备快速建立双脉冲波形的功能。DG2000可以在PC上位机快速创建不同脉宽的脉冲上并上传到函数发生器，可以方便用户创建出不同脉宽的双脉冲信号。
示波器：DHO4000/MSO8000系列。DHO4000系列示波器为12Bit、采样率4GSa/s，带宽800MHz，高分辨率可以让信号细节精细呈现。MSO8000系列示波器8Bit、采样率10Gsa/s。带宽2GHZ,更高的带宽以及采样率可以保真的采集信号的上升沿和异常震荡。
光隔离探头：光隔离探头PIA1000系列探头使用光纤供电与传递模拟信号，在测试系统和DUT之间实现完全的电气隔离，允许探头在大共模电压下浮动测量。高共模抑制比CMRR180dB、最高带宽1GHz、共模电压86kV能够满足功率半导体组成的高压高频电路测试需求，保证测试结果的真实性。
如下图为用200M的光隔离探头和高压差分探头测试同一个Vgs信号CH1为光隔离探头的测试波形，CH3为高压差分探头的测试波形，出现了明显的震荡，隔离探头的测试结果是更加可靠的。
电流探头：电流探头测量流经发射级的电流，推荐PCA2030系列电流探头
结论
通过双脉冲测试，可以获得IGBT的开关特性参数，如开关时间、开关损耗、导通压降等，为电力电子系统的设计和优化提供重要依据。同时，双脉冲测试也可以用于生产过程中的质量控制，确保IGBT模块的性能符合设计要求。RIGOL推出双脉冲测试方案，可以帮助用户完成IGBT双脉冲测试，让测试效率事半功倍。如下为RIGOL IGBT双脉冲测试方案推荐：
方案优势：
宽频带和高速响应：光隔离探头配合高带宽高采样率示波器的测试系统具有较宽的频带和较高的响应速度，这有助于捕捉IGBT在快速开关过程中产生的短暂的高频信号。
电气隔离及优秀的抗干扰：PIA1000通过光纤传输信号及供电，消除了电气连接，提供极佳的隔离效果；拥有强大的共模信号抑制能力，有助于减少由电源线噪声、地回路干扰等引起的共模噪声。
兼容性和灵活性：灵活的双脉冲波形编辑、不同型号附件的带宽的探头选择让测试方案配置和部署更加灵活。
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