IGBT双脉冲测试原理和步骤

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）作为电力电子装置中的核心器件，其性能的稳定性和可靠性对整个系统的运行至关重要。为了验证IGBT的性能是否过关，双脉冲测试（Double Pulse Test）成为了一项重要的测试手段。本文将详细介绍IGBT双脉冲测试的原理、意义、实验设备、测试步骤以及数据分析，以期为相关技术人员提供参考。

一、双脉冲测试的意义

双脉冲测试在IGBT功率器件应用行业中具有显著的重要性，其决定了对应的IGBT是否会被选用，也是使用者在选型之前的一道筛选手段以及设计是否正确的判断标准。具体来说，双脉冲测试的意义包括以下几个方面：

对比性能：可以对比同一品牌不同型号或者同一型号不同品牌的IGBT的性能，帮助用户选择最适合自己应用的IGBT。

获取主要参数：通过双脉冲测试，可以获取IGBT在开关过程的主要参数，如开通时间、关断时间、开通损耗、关断损耗等，以评估Rgon及Rgoff的数值是否合适，评估是否需要配吸收电路等。

考量实际表现：考量IGBT在变换器中工作时的实际表现，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。

二、主要实验设备

进行IGBT双脉冲测试需要以下主要实验设备：

高压电源：提供测试所需的高压直流电源。

电容组：用于储能和滤波，确保测试过程中的电压稳定。

叠层直流母排：用于连接高压电源和负载电感，减少杂散电感的影响。

负载电感：可以自己绕制，不要饱和即可，用于模拟实际负载。

被测IGBT及驱动电路：被测对象，包括IGBT及其驱动电路。

示波器：最好是4通道，高带宽，带函数功能，采样点在200MS/s或以上，用于捕捉和显示测试波形。

高压差分电压探头（1000:1）：用于测量IGBT的集电极-发射极电压（Vce）。

罗氏线圈电流探头：用于测量IGBT的集电极电流（Ic）。

可编程信号发生器或简易信号发生装置：用于发出一组双脉冲信号，控制IGBT的开通和关断。

三、双脉冲测试原理

双脉冲测试的基本原理是通过向被测IGBT发出两个脉冲信号，观察其在开通和关断过程中的电压和电流波形，从而评估其性能。测试过程可以分为以下几个阶段：

T1时刻（IGBT First Turn On）：

在t0时刻，门极放出第一个脉冲，被测IGBT饱和导通，直流母线电压U加在负载L上，电感的电流线性上升，电流表达式为：Ic=U*t/L。

在t1时刻，电感电流的数值由U和L决定，在U和L都确定时，电流的数值由t1决定，时间越长电流越大。

T2时刻（IGBT Off）：

在t1-t2时间段，门级信号Vge为低电平，IGBT关断，负载L的电流由上管二极管续流，该电流缓慢衰减。

T3时刻（IGBT Second Turn On）：

在t2时刻，第二个脉冲的上升沿到达，被测IGBT再次导通，续流二极管进入反向恢复，反向恢复电流会穿过IGBT，在电流探头上能捕捉到这个电流。此时，重点是观察IGBT的开通过程，反向恢复电流是重要的监控对象。

在t3时刻，被测IGBT再次关断，此时电流较大，因为母线杂散电感Ls的存在，会产生一定的电压尖峰。在该时刻，重点是观察IGBT的关断过程，电压尖峰是重要的监控对象。

四、测试步骤

进行IGBT双脉冲测试的步骤如下：

搭建测试平台：根据双脉冲测试原理图搭建测试平台，将要测量的信号与示波器连接，包括直流母线Vdc、被测下管IGBT的Ic电流、被测下管IGBT的Vce电压、上管续流二极管电流If、上管续流二极管电压Vec、被测IGBT门级信号Vge等。示波器通道设置好比例。

连接主电源：将被测单元与调压器连接作为主电源，单元电源使用调压器更方便双脉冲调试。

检查与调试：按照搭建好的测试平台做好上电前的检查，着重检查各测量点是否正确连接及供电电源是否正常。通过直流数字电源将IGBT驱动板供电电源慢调到300V左右，过程中注意观察IGBT驱动板卡电源灯状态变化。且示波器测量门级信号Vge通道由0V跳至-10V。

下发脉冲信号：通过脉冲发生器下发计算出的脉冲宽度时间，示波器触发模式抓取Vge波形，再次确认Vge脉宽与计算值相符。

观察波形：功率单元上电，调压器先调至AC50V，下发双脉冲信号，示波器抓取波形，观察各通道波形趋势是否正常。如果有异常状态，此电压下可以保证相对安全性。

调整电压：调压器慢调至功率单元额定电压，下发双脉冲波形，观察各参数是否符合测试要求。

调整脉宽：根据测试数据，调整T1和T3的脉宽时间，使First Pulse Icmax为单元额定输出电流的根号2倍，Second Pulse Icmax为IGBT额定电流的2倍。如存在差异，单元停电放电后调整T1和T3时间。

五、测试数据读取与分析

测试数据的读取与分析是双脉冲测试的重要环节，主要包括开通数据和关断数据的分析。

开通数据：

开通延时时间Td(on)：从10%Vge到10%Ic的时间。

开通上升时间Tr(on)：从10%Ic到90%Ic的时间。

开通电流斜率di/dt：从50%Ic到90%Ic的斜率。

开通损耗Eon：按照公式计算，积分时间为10%Ic到10%的Vce。

关断数据：

关断延时时间Td(off)：从90%Vge到90%Ic的时间。

关断下降时间Tf：从90%Ic到10%Ic的时间。

关断电流斜率di/dt：从90%Ic到50%Ic的斜率。

关断电压斜率dv/dt：从50%Vce到70%Vce的斜率。

关断损耗Eoff：按照公式计算，积分时间为10%Vce到10%的Ic。

六、杂散电感计算

杂散电感是影响IGBT性能的重要因素之一。在IGBT开通时，Ic开始增长，而此时上管IGBT的续流二极管处于反向恢复，该二极管没有阻断能力，上管Uce=0。在Ic开始增长时，杂散电感上感应的电压的方向与母线电压相反的，此时在下管的Vce上测得的波形出现了一个缺口，这个缺口电压产生的原因是杂散电感抵消了一部分母线电压。

可以通过以下公式计算杂散电感Ls的数值：Us=Ls*(di/dt)。从示波器上读出Us和di/dt，代入公式即可算出杂散电感Ls的数值。

七、注意事项

在进行IGBT双脉冲测试时，需要注意以下几点：

电流和电压探头的量程：在保证测试安全范围内尽量选小，减少测量误差。

测试安全：在进行高压测试时，务必确保测试设备和人员的安全。

数据准确性：测试数据的准确性对评估IGBT的性能至关重要，因此应确保测试设备和测试方法的准确性。

测试环境：测试环境应尽量接近实际应用环境，以更好地反映IGBT在实际应用中的性能。

八、结论

IGBT双脉冲测试是一项重要的测试手段，通过测试可以评估IGBT在开通和关断过程中的性能表现，为IGBT的选型和应用提供重要参考。在进行测试时，需要选择合适的实验设备和测试方法，并严格按照测试步骤进行操作，以确保测试结果的准确性和可靠性。同时，还需要注意测试过程中的安全问题，确保测试设备和人员的安全。