PicoScope示波器在IGBT动态性能测试中的应用

1 关于IGBT

IGBT（绝缘栅双极晶体管）是功率半导体的一种，它可以被简化的看作为一个能够快速切换的开关，可以被用来通过低压脉冲来控制高压信号的通断。IGBT具有三个电极：栅极、集电极、发射极。低压脉冲被施加在栅极和发射极之间，受控的高电压被施加在集电极和发射极之间，如图1所示。

IGBT是BJT（双极结型晶体管）和MOSFET（场效应晶体管）通过达林顿结构实现的复合晶体管，所以它兼具了两种晶体管的优点：电压控制、低驱动功率、低饱和电压、高耐压等。IGBT电路示意图如图2所示。

2 IGBT的应用

IGBT在电力传输、新能源汽车、通信、计算机、消费电子、航空航天、清洁能源等各个行业有着极为广泛的应用。图3所示为IGBT器件的一些典型应用。

图3 IGBT的典型应用

下图4所示为一个典型的常用于驱动电机的电源转换电路的简化原理图。三相交流电压输入经脉冲整流器整流为稳定的直流电压，然后进入直流-交流的逆变电路，最后输出为由控制逻辑和系统模块控制的三相脉冲调制信号。该电源转换电路中使用了六个 IGBT 器件，以产生具有所期望的速度、功率、效率等的适当信号。

图4 典型的AC-DC-AC 电源转换电路

3 IGBT的动态特性验证

随着市场需求量的增加，更多的企业开始研发和生产IGBT器件，与传统成熟的IGBT厂商相比，这些企业在初始阶段会面临更多的挑战，所生产的IGBT产品的合格率会相对较低。为了应对挑战和提升合格率，需要在研发和生产阶段对IGBT器件进行严格且全面的测试验证，包括传统的静态特性测试以及动态特性测试。

此外，IGBT器件被广泛用于新能源汽车中，汽车对安全性和可靠性的严格要求也对IGBT器件的可靠性提出了更为严格的要求。车规级IGBT器件的生产商需要针对其所生产的IGBT器件进行更为严格更为全面的测试验证，包括器件的动态性能，确保其合格可靠。

而且，IGBT器件的动态特性会对所设计的电路性能带来影响，因此精确测量IGBT器件动态特性已成为IGBT器件一致性测试验证项目中的重要部分。

双脉冲测试是测量 IGBT 动态性能的行业通用方法。如下图5所示，双脉冲施加在栅极和发射极之间，以控制被测 IGBT 器件的开通和关断。图中所示的 PicoScope 示波器型号是 PicoScope 6824E，8 通道示波器，其具有内置的 FG/AWG 和灵活可调的分辨率（8 位至 12 位）。用户可以通过加载编辑好的波形数据文件，在 PicoScope 示波器中使用 AWG 生成双脉冲信号，可通过一个外部放大器来提高脉冲的幅度，也可以直接使用一个额外的外部信号源来产生一个双脉冲。两个高压差分探头和一个电流探头被用来采集Vge双脉冲波形， Vce 电压信号以及Ic 电流信号。

图5 双脉冲测试IGBT器件连接示意图

IGBT的动态特性参数主要是与开通和关断以及反向恢复相关的特性参数。下面列出的一些典型参数和示意图来自 IEC 60747-9-2019。

开通时间 (td(on), tr, ton) 和开通能量 (Eon):

图6 IGBT开通特性参数

关断时间 (td(off), tf, toff, tz) and 关断能量 (Eoff):

图7 IGBT的关断特性参数

反向恢复峰值电流 (Irrm), 反向恢复时间 (trr), 反向恢复能量 (Err) 以及反向恢复电荷 (Qrr) ：

图8 反向恢复特性参数

4 IGBT动态特性参数测试挑战

对于生产和研发用于产线测试的IGBT自动化测试设备来说，可靠性是要考虑的第一重要因素，因为这些设备通常需要长时间日夜不停的连续工作。因此，需要为测试设备找到一款可靠性高、能够长时间运行的数据采集部件。

IGBT测试电路中的杂散电感引起的 Vce 电压尖峰和二极管反向恢复引起的 Ic 电流尖峰是脉冲宽度较窄的高频脉冲，如下图 9 所示。要精确测试这样的高频脉冲，需要数据采集部件具有高带宽、高 ADC 分辨率以及高采样率。

在激烈的市场竞争中，除了高可靠性和精确性要求之外，成本效益、紧凑的尺寸和快速的测量速度也变得日益重要。

对于数据采集部件来说，满足上述所有需求会是一个较大的挑战。

PicoScope示波器能够很好的满足这些需求，已被广泛的用于IGBT等功率半导体器件研发和生产测试中。

图9 IGBT波形中因杂散电感带来的电压尖峰和反向二极管恢复电流尖峰

下图 10 所示为使用 PicoScope 5444D 测试的双脉冲、Vce、Ic、Ig 的IGBT 实际波形。

图10 使用PicoScope 5444D 测得的IGBT波形

6 如何使用PicoScope示波器测试 IGBT器件

在研发阶段对IGBT器件的调试与分析，可以使用PicoScope示波器配合Pico的最新一代示波器应用软件 PicoScope 7。PicoScope 7 是适用于所有实时 PicoScope示波器的下一代用户界面。它拥有用户快速获得答案所需的所有分析工具，无论是执行简单测试还是调试复杂设计。它适用于 Windows、Mac 和 Linux。无论手头是否有一台PicoScope示波器，用户都可以免费下载和离线运行软件并分析离线数据。它标配有 40 个解码选件、40 个测量（包括功率相关参数）、67 个数学函数（包括许多高级函数，例如 FFT，参数追踪等），以及内置多种仪器功能，例如任意波形发生器、函数发生器、协议分析仪、频谱分析仪、逻辑分析仪。

图11 支持所有实时PicoScope示波器的新一代PicoScope 7软件

功率半导体行业的很多用户不仅在研发阶段使用PicoScope示波器进行调试与分析，也将 PicoScope示波器作为数据采集部件集成到IGBT的自动化测试设备中用于产线测试。用户通过PicoSDK（软件开发包）与PicoScope进行交互并通过编程将其集成到自定义的应用程序中。IGBT自动化测试设备中除了数据采集部件外，通常还需要工控机、高压电源、驱动板以及相关配件。用户一般会使用 C#、Python、LabVIEW 等编程语言开发自己的应用软件。图 12 所示为集成了PicoScope 的用于 IGBT 验证的自动化测试设备。

图12 IGBT自动化测试设备

7 为什么选择PicoScopes?

图13 被广泛用在IGBT自动化测试设备中的PicoScope示波器型号

功率半导体企业以及功率半导体自动化测试设备研发和生产制造商会根据不同的测试需求选择不同的PicoScope示波器型号，当前常用的型号包括：PicoScope 5444D、PicoScope 6404E、PicoScope 6824E、PicoScope 6426E。当然，所有其它 PicoScope 型号也都被用户广泛的选择用于各种不同行业的系统集成和 OEM 应用，因为PicoScope 示波器具备众多适合于系统集成和OEM的优点。下面列出的一些是用户喜欢在系统集成项目和OEM应用中使用 PicoScope示波器的一些原因：

1）高可靠性

Pico Technology 成立于 1991 年，专注于基于 PC 的测试仪器和数据采集设备的研发和制造。数十年的产品迭代和严格的质量控制，使得PicoScope 示波器拥有高可靠性。

2）高性价比

与传统台式仪器不同，PicoScope 示波器没有内置 PC，故结构简单，从而可拥有更多独特的硬件优势，包括高带宽、高采样率、深存储、高ADC分辨率、灵活可调 ADC 分辨率、多个模拟和数字输入通道、高速数据传输等。基于外部 PC 的强大性能，PicoScope 示波器可拥有更丰富的软件功能和更强大的数据分析处理能力，如可提供 40 多个串行解码器、高级数学函数（FFT、滤波函数、测量参数追踪图等）。此外，PicoScope 示波器拥有数十种型号，用户更容易选择到一款经济实惠且与其应用相匹配的产品。

3）高ADC 分辨率和灵活可调ADC 分辨率

PicoScope 示波器提供从 8 位到 16 位的各种垂直分辨率选项。分辨率越高，垂直精度和动态范围就越大，波形显示就越清晰，测量结果会更精确。PicoScope 示波器的 ADC 分辨率灵活可调，这个独特特点得益于 Pico 突破性的 ADC 管理技术，该技术允许用户在一个设备中通过协调多个 ADC 的工作从而实现从 8 位到 16 位的灵活切换。

4）强大的软件开发包PicoSDK

PicoScope 示波器提供了很多传统台式示波器通常不具备的互联和定制功能。SDK（软件开发工具包）允许用户为特定项目创建自定义应用程序。这使得 PicoScope 示波器不仅仅是一台通用的示波器。在 SDK 下运行的 PicoScope 示波器拥有更加出色的性能，比如它可以以高达 312 MS/s 的速度连续采集数据并将其传输到 PC，可实现最高200 万段的分段存储，可以设置高级触发功能，可以编程控制示波器内置的任意波形发生器或函数发生器输出波形等。基于SDK 编程控制PicoScope 示波器简单容易，您可以在github.com/picotech 上找到大量的基于各种编程语言的示例代码，而且我们也有专门的支持团队为用户自定义开发提供技术支持。

所有 Pico 产品（包括 PicoScope 示波器）均附带免费的 SDK。SDK 包含适用于 Windows、macOS、Linux 和 Raspberry Pi (ARM7) 的驱动程序。它允许用户使用诸如 C、C#、C++、Python、MATLAB、LabVIEW 和 Microsoft Excel 等通用的编程语言编写自己的应用程序来控制仪器。

5）紧凑轻便

与往往比较笨重的传统台式示波器不同，PicoScope 示波器紧凑、轻便且便于携带。与笔记本电脑配合使用时，PicoScope 示波器可让您将整套电子工具与电脑一起装入一个包中。小巧的尺寸也使 PicoScope 示波器更易于集成到系统中，而几乎不会增加重量或体积。