IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）作為電力電子裝置中的核心器件，其性能的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。為了驗(yàn)證IGBT的性能是否過(guò)關(guān)，雙脈沖測(cè)試（Double Pulse Test）成為了一項(xiàng)重要的測(cè)試手段。本文將詳細(xì)介紹IGBT雙脈沖測(cè)試的原理、意義、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測(cè)試步驟以及數(shù)據(jù)分析，以期為相關(guān)技術(shù)人員提供參考。

一、雙脈沖測(cè)試的意義

雙脈沖測(cè)試在IGBT功率器件應(yīng)用行業(yè)中具有顯著的重要性，其決定了對(duì)應(yīng)的IGBT是否會(huì)被選用，也是使用者在選型之前的一道篩選手段以及設(shè)計(jì)是否正確的判斷標(biāo)準(zhǔn)。具體來(lái)說(shuō)，雙脈沖測(cè)試的意義包括以下幾個(gè)方面：

對(duì)比性能：可以對(duì)比同一品牌不同型號(hào)或者同一型號(hào)不同品牌的IGBT的性能，幫助用戶(hù)選擇最適合自己應(yīng)用的IGBT。

獲取主要參數(shù)：通過(guò)雙脈沖測(cè)試，可以獲取IGBT在開(kāi)關(guān)過(guò)程的主要參數(shù)，如開(kāi)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間、開(kāi)通損耗、關(guān)斷損耗等，以評(píng)估Rgon及Rgoff的數(shù)值是否合適，評(píng)估是否需要配吸收電路等。

考量實(shí)際表現(xiàn)：考量IGBT在變換器中工作時(shí)的實(shí)際表現(xiàn)，如二極管的反向恢復(fù)電流是否合適，關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰是否合適，開(kāi)關(guān)過(guò)程是否有不合適的震蕩等。

二、主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

進(jìn)行IGBT雙脈沖測(cè)試需要以下主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備：

高壓電源：提供測(cè)試所需的高壓直流電源。

電容組：用于儲(chǔ)能和濾波，確保測(cè)試過(guò)程中的電壓穩(wěn)定。

疊層直流母排：用于連接高壓電源和負(fù)載電感，減少雜散電感的影響。

負(fù)載電感：可以自己繞制，不要飽和即可，用于模擬實(shí)際負(fù)載。

被測(cè)IGBT及驅(qū)動(dòng)電路：被測(cè)對(duì)象，包括IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路。

示波器：最好是4通道，高帶寬，帶函數(shù)功能，采樣點(diǎn)在200MS/s或以上，用于捕捉和顯示測(cè)試波形。

高壓差分電壓探頭（1000:1）：用于測(cè)量IGBT的集電極-發(fā)射極電壓（Vce）。

羅氏線(xiàn)圈電流探頭：用于測(cè)量IGBT的集電極電流（Ic）。

可編程信號(hào)發(fā)生器或簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生裝置：用于發(fā)出一組雙脈沖信號(hào)，控制IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷。

三、雙脈沖測(cè)試原理

雙脈沖測(cè)試的基本原理是通過(guò)向被測(cè)IGBT發(fā)出兩個(gè)脈沖信號(hào)，觀察其在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中的電壓和電流波形，從而評(píng)估其性能。測(cè)試過(guò)程可以分為以下幾個(gè)階段：

T1時(shí)刻（IGBT First Turn On）：

在t0時(shí)刻，門(mén)極放出第一個(gè)脈沖，被測(cè)IGBT飽和導(dǎo)通，直流母線(xiàn)電壓U加在負(fù)載L上，電感的電流線(xiàn)性上升，電流表達(dá)式為：Ic=U*t/L。

在t1時(shí)刻，電感電流的數(shù)值由U和L決定，在U和L都確定時(shí)，電流的數(shù)值由t1決定，時(shí)間越長(zhǎng)電流越大。

T2時(shí)刻（IGBT Off）：

在t1-t2時(shí)間段，門(mén)級(jí)信號(hào)Vge為低電平，IGBT關(guān)斷，負(fù)載L的電流由上管二極管續(xù)流，該電流緩慢衰減。

T3時(shí)刻（IGBT Second Turn On）：

在t2時(shí)刻，第二個(gè)脈沖的上升沿到達(dá)，被測(cè)IGBT再次導(dǎo)通，續(xù)流二極管進(jìn)入反向恢復(fù)，反向恢復(fù)電流會(huì)穿過(guò)IGBT，在電流探頭上能捕捉到這個(gè)電流。此時(shí)，重點(diǎn)是觀察IGBT的開(kāi)通過(guò)程，反向恢復(fù)電流是重要的監(jiān)控對(duì)象。

在t3時(shí)刻，被測(cè)IGBT再次關(guān)斷，此時(shí)電流較大，因?yàn)槟妇€(xiàn)雜散電感Ls的存在，會(huì)產(chǎn)生一定的電壓尖峰。在該時(shí)刻，重點(diǎn)是觀察IGBT的關(guān)斷過(guò)程，電壓尖峰是重要的監(jiān)控對(duì)象。

四、測(cè)試步驟

進(jìn)行IGBT雙脈沖測(cè)試的步驟如下：

搭建測(cè)試平臺(tái)：根據(jù)雙脈沖測(cè)試原理圖搭建測(cè)試平臺(tái)，將要測(cè)量的信號(hào)與示波器連接，包括直流母線(xiàn)Vdc、被測(cè)下管IGBT的Ic電流、被測(cè)下管IGBT的Vce電壓、上管續(xù)流二極管電流If、上管續(xù)流二極管電壓Vec、被測(cè)IGBT門(mén)級(jí)信號(hào)Vge等。示波器通道設(shè)置好比例。

連接主電源：將被測(cè)單元與調(diào)壓器連接作為主電源，單元電源使用調(diào)壓器更方便雙脈沖調(diào)試。

檢查與調(diào)試：按照搭建好的測(cè)試平臺(tái)做好上電前的檢查，著重檢查各測(cè)量點(diǎn)是否正確連接及供電電源是否正常。通過(guò)直流數(shù)字電源將IGBT驅(qū)動(dòng)板供電電源慢調(diào)到300V左右，過(guò)程中注意觀察IGBT驅(qū)動(dòng)板卡電源燈狀態(tài)變化。且示波器測(cè)量門(mén)級(jí)信號(hào)Vge通道由0V跳至-10V。

下發(fā)脈沖信號(hào)：通過(guò)脈沖發(fā)生器下發(fā)計(jì)算出的脈沖寬度時(shí)間，示波器觸發(fā)模式抓取Vge波形，再次確認(rèn)Vge脈寬與計(jì)算值相符。

觀察波形：功率單元上電，調(diào)壓器先調(diào)至AC50V，下發(fā)雙脈沖信號(hào)，示波器抓取波形，觀察各通道波形趨勢(shì)是否正常。如果有異常狀態(tài)，此電壓下可以保證相對(duì)安全性。

調(diào)整電壓：調(diào)壓器慢調(diào)至功率單元額定電壓，下發(fā)雙脈沖波形，觀察各參數(shù)是否符合測(cè)試要求。

調(diào)整脈寬：根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，調(diào)整T1和T3的脈寬時(shí)間，使First Pulse Icmax為單元額定輸出電流的根號(hào)2倍，Second Pulse Icmax為IGBT額定電流的2倍。如存在差異，單元停電放電后調(diào)整T1和T3時(shí)間。

五、測(cè)試數(shù)據(jù)讀取與分析

測(cè)試數(shù)據(jù)的讀取與分析是雙脈沖測(cè)試的重要環(huán)節(jié)，主要包括開(kāi)通數(shù)據(jù)和關(guān)斷數(shù)據(jù)的分析。

開(kāi)通數(shù)據(jù)：

開(kāi)通延時(shí)時(shí)間Td(on)：從10%Vge到10%Ic的時(shí)間。

開(kāi)通上升時(shí)間Tr(on)：從10%Ic到90%Ic的時(shí)間。

開(kāi)通電流斜率di/dt：從50%Ic到90%Ic的斜率。

開(kāi)通損耗Eon：按照公式計(jì)算，積分時(shí)間為10%Ic到10%的Vce。

關(guān)斷數(shù)據(jù)：

關(guān)斷延時(shí)時(shí)間Td(off)：從90%Vge到90%Ic的時(shí)間。

關(guān)斷下降時(shí)間Tf：從90%Ic到10%Ic的時(shí)間。

關(guān)斷電流斜率di/dt：從90%Ic到50%Ic的斜率。

關(guān)斷電壓斜率dv/dt：從50%Vce到70%Vce的斜率。

關(guān)斷損耗Eoff：按照公式計(jì)算，積分時(shí)間為10%Vce到10%的Ic。

六、雜散電感計(jì)算

雜散電感是影響IGBT性能的重要因素之一。在IGBT開(kāi)通時(shí)，Ic開(kāi)始增長(zhǎng)，而此時(shí)上管IGBT的續(xù)流二極管處于反向恢復(fù)，該二極管沒(méi)有阻斷能力，上管Uce=0。在Ic開(kāi)始增長(zhǎng)時(shí)，雜散電感上感應(yīng)的電壓的方向與母線(xiàn)電壓相反的，此時(shí)在下管的Vce上測(cè)得的波形出現(xiàn)了一個(gè)缺口，這個(gè)缺口電壓產(chǎn)生的原因是雜散電感抵消了一部分母線(xiàn)電壓。

可以通過(guò)以下公式計(jì)算雜散電感Ls的數(shù)值：Us=Ls*(di/dt)。從示波器上讀出Us和di/dt，代入公式即可算出雜散電感Ls的數(shù)值。

七、注意事項(xiàng)

在進(jìn)行IGBT雙脈沖測(cè)試時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

電流和電壓探頭的量程：在保證測(cè)試安全范圍內(nèi)盡量選小，減少測(cè)量誤差。

測(cè)試安全：在進(jìn)行高壓測(cè)試時(shí)，務(wù)必確保測(cè)試設(shè)備和人員的安全。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性：測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對(duì)評(píng)估IGBT的性能至關(guān)重要，因此應(yīng)確保測(cè)試設(shè)備和測(cè)試方法的準(zhǔn)確性。

測(cè)試環(huán)境：測(cè)試環(huán)境應(yīng)盡量接近實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，以更好地反映IGBT在實(shí)際應(yīng)用中的性能。

八、結(jié)論

IGBT雙脈沖測(cè)試是一項(xiàng)重要的測(cè)試手段，通過(guò)測(cè)試可以評(píng)估IGBT在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中的性能表現(xiàn)，為IGBT的選型和應(yīng)用提供重要參考。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要選擇合適的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試方法，并嚴(yán)格按照測(cè)試步驟進(jìn)行操作，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，還需要注意測(cè)試過(guò)程中的安全問(wèn)題，確保測(cè)試設(shè)備和人員的安全。