01、引言

功率開關(guān)器件的規(guī)格書上有著多種多樣的數(shù)據(jù)，如靜態(tài)特性參數(shù)，動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，開關(guān)特性參數(shù)等等。其中靜態(tài)特性參數(shù)大多數(shù)可以通過靜態(tài)參數(shù)一體化測試機(jī)或者源表等設(shè)備直接測出，動(dòng)態(tài)特性參數(shù)則可以通過電容測試平臺(tái)描繪出，最后開關(guān)特性參數(shù)則需要用到雙脈沖測試才能準(zhǔn)確測得。

02、雙脈沖測試的必要性

要測試器件在應(yīng)用上能否達(dá)到所需要的功率，一般工廠會(huì)選擇直接上機(jī)測試，但是這樣的方式往往會(huì)疏忽很多極端情況下的尖峰情況，也無法量化地研究功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗等特性。在初期來看是節(jié)省了很多的測試時(shí)間，一旦涉及項(xiàng)目更多或涵蓋工程面更廣后，就會(huì)導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，或者是設(shè)計(jì)余量的過度浪費(fèi)。因此，在設(shè)計(jì)階段，獲取并量化功率開關(guān)器件的開關(guān)特性，將會(huì)對(duì)電子整機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化帶來前瞻性的優(yōu)勢。

03、雙脈沖測試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

雙脈沖測試平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要結(jié)構(gòu)由2個(gè)組成半橋電路的功率開關(guān)器件和一個(gè)電感組成，上橋臂一般與其源極短接，始終處于關(guān)斷狀態(tài)，下橋臂接收雙脈沖信號(hào)，控制回路開關(guān)狀態(tài)。

圖1 雙脈沖測試基本結(jié)構(gòu)

雙脈沖測試所測得的波形如圖2所示，雙脈沖測試中的第一個(gè)脈沖用于給電感充電，獲得一個(gè)指定值的電流，觀察其下降沿就會(huì)得到關(guān)斷狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括關(guān)斷時(shí)間，關(guān)斷損耗，tf等參數(shù)；觀察第二個(gè)脈沖的上升沿則會(huì)得到開啟狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括開啟時(shí)間，開啟損耗，tr等參數(shù)。

圖2 雙脈沖測試?yán)硐氩ㄐ?/span>

04、雙脈沖過程分解

1、第一個(gè)脈沖的開啟過程：由于此前電感沒有儲(chǔ)能，此時(shí)處于零電流開啟狀態(tài)，隨著下橋臂器件的開啟，電壓由功率開關(guān)器件逐漸轉(zhuǎn)移至電感上。

2、第一個(gè)脈沖的穩(wěn)態(tài)過程：此時(shí)回路狀態(tài)穩(wěn)定，下橋臂器件完全開啟，電感承載母線電壓，電感工作電流迅速上升。

3、第一個(gè)脈沖的關(guān)斷過程：此時(shí)電感有一個(gè)較大的工作電流，隨著下橋臂器件逐漸關(guān)斷，電感的電壓轉(zhuǎn)移至下橋臂器件，由于電感遵循電流不突變?cè)瓌t，電感為了保持電流的持續(xù)性，原本在下橋臂器件流通的回路電流，將會(huì)轉(zhuǎn)移至上橋臂器件的二極管內(nèi)續(xù)流。

4、雙脈沖之間的關(guān)斷時(shí)間：此時(shí)回路狀態(tài)穩(wěn)定，下橋臂器件關(guān)斷，電感的儲(chǔ)能電流持續(xù)在上橋臂器件的二極管內(nèi)續(xù)流。

5、第二個(gè)脈沖的開啟過程：由于此前電感有儲(chǔ)能電流在上橋臂器件的二極管內(nèi)續(xù)流，此時(shí)開啟為帶負(fù)載開啟。隨著下橋臂器件的開啟，電壓由功率開關(guān)器件逐漸轉(zhuǎn)移至電感上，電感的續(xù)流電流從上橋臂器件的二極管轉(zhuǎn)移至下橋臂中。同時(shí)二極管由正向偏壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚰蛪?，二極管會(huì)排出續(xù)流的載流子，形成反向恢復(fù)電流。

05、雙脈沖測試點(diǎn)定義

圖3為規(guī)格書各開關(guān)參數(shù)：

圖3 規(guī)格書中常見的IGBT開關(guān)特性參數(shù)

將第一個(gè)脈沖的關(guān)斷過程詳細(xì)展開會(huì)得到如圖4的波形，從中計(jì)算得出td(off)，tf和Eoff等數(shù)據(jù)。

td（off）: 90% Vgate至90% Ic。

tf : 90% Ic下降至10% Ic。

Eoff : 90% Vgate至2% Ic的損耗。

要測得Eoff值，一般需要用到示波器的函數(shù)運(yùn)算功能，如圖5所示，首先通過數(shù)學(xué)運(yùn)算將被測器件電流與電壓相乘，得到一條新的曲線，被測器件損耗功率。該曲線在未開始關(guān)斷時(shí)，可以看到有一個(gè)較小的數(shù)值，這是器件的導(dǎo)通損耗。在關(guān)斷的過程中被測器件損耗功率迅速上升，這是由于器件柵極信號(hào)下降至彌勒平臺(tái)區(qū)域，器件開始關(guān)斷，其CE電壓迅速上升，由于負(fù)載為感性負(fù)載，電流的變化存在一定的相位延遲并沒有立刻發(fā)生變化。等到器件的電壓上升至接近峰值的時(shí)候，此時(shí)電感上的電壓數(shù)值較高，電流開始減小，此時(shí)的被測器件損耗功率也達(dá)到了峰值。最后器件電流下降至完全關(guān)斷，損耗徹底消失。從90%的柵極信號(hào)至2%的器件電流這段時(shí)間之內(nèi)，將被測器件損耗功率通過示波器積分運(yùn)算所得出的數(shù)值，就是Eoff。

圖4 第一個(gè)脈沖的理想關(guān)斷過程

圖5 Eoff的計(jì)算方式

通過同樣的方式，我們也可以在第二個(gè)脈沖開啟過程中計(jì)算得出td(on)，tr和Eon等數(shù)據(jù)。

td（on）: 10% Vgate至10% Ic。

tr : 10% Ic上升至90% Ic。

Eon : 10% Vgate至2% Vce的損耗。

通過同樣的方式，我們也可以在第二個(gè)脈沖開啟過程中計(jì)算得出td(on)、tr和Eon等數(shù)據(jù)，如圖7所示。10%的柵極信號(hào)至10%的被測器件電流所用時(shí)間定義為td（on），10%至90%的被測器件電流所用時(shí)間定義為tr。從10%的柵極信號(hào)至2%的器件電壓這段時(shí)間之內(nèi)，將被測器件損耗功率通過示波器積分運(yùn)算所得出的數(shù)值，就是Eon。

圖7 Eon的計(jì)算方式

在第二個(gè)脈沖的開啟過程中，二極管從正向?qū)ㄞD(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚰蛪籂顟B(tài)，此時(shí)就能測得所有關(guān)于二極管的電學(xué)特性。

Qrr，即二極管反向恢復(fù)電荷，二極管從正向?qū)ㄞD(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚰蛪旱倪^程中，需要排出結(jié)中的載流子，此時(shí)會(huì)形成一個(gè)反向的電流尖峰，使用示波器的積分功能計(jì)算這段電流尖峰，就能準(zhǔn)確算出Qrr。

Irrm，二極管的反向尖峰最大值，測量反向恢復(fù)期間尖峰的最高值即可獲得。

Trr，反向恢復(fù)時(shí)間，通常為反向恢復(fù)電流上升區(qū)間的10%至下降區(qū)間的10%Irrm。

圖8 二極管開關(guān)特性

圖9 規(guī)格書中常見的二極管特性

以上所談到的波形都是基于理論的數(shù)值計(jì)算，其實(shí)際測試波形如圖10和圖11，分別是開通和關(guān)斷波形。其中1通道黃色的是門極信號(hào)，2通道藍(lán)色的是被測器件VGE的信號(hào)，3通道綠色的是被測器件的Ic。數(shù)學(xué)運(yùn)算1是電壓和電流信號(hào)的乘積，也就是損耗值。測試過程中開關(guān)瞬間還會(huì)遇到各種震蕩等現(xiàn)象，部分可能是源于器件本身特性的問題，另一部分則源于雙脈沖測試平臺(tái)架構(gòu)的寄生參數(shù)。在震蕩過大以至于影響電流電壓判斷的環(huán)境中，則建議適當(dāng)降低開關(guān)速度以獲得較為準(zhǔn)確的測試值。

圖10 開通波形

圖11 關(guān)斷波形