雙脈沖測(cè)試基礎(chǔ)系列：基本原理和應(yīng)用

編者按

雙脈沖是分析功率開關(guān)器件動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方法，貫穿器件的研發(fā)，應(yīng)用和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。合理采用雙脈沖測(cè)試平臺(tái)，你可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中從容的調(diào)試驅(qū)動(dòng)電路，優(yōu)化動(dòng)態(tài)過程，驗(yàn)證短路保護(hù)。

雙脈沖測(cè)試基礎(chǔ)系列文章包括基本原理和應(yīng)用，對(duì)電壓電流探頭要求和影響測(cè)試結(jié)果的因素等。

為什么要進(jìn)行雙脈沖測(cè)試?

在以前甚至是今天，許多使用IGBT或者M(jìn)OSFET做逆變器的工程師是不做雙脈沖實(shí)驗(yàn)的，而是直接在標(biāo)定的工況下跑看能否達(dá)到設(shè)計(jì)的功率。這樣的測(cè)試確實(shí)很必要，但是往往這樣看不出具體的開關(guān)損耗，電壓或者電流的尖峰情況，以及寄生導(dǎo)通情況。這會(huì)導(dǎo)致對(duì)有些風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)出現(xiàn)盲點(diǎn)，進(jìn)而影響最后產(chǎn)品未來的長(zhǎng)期可靠性。又或者設(shè)計(jì)裕量過大帶來成本增加，使得產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力下降。如果能在設(shè)計(jì)研發(fā)階段，精準(zhǔn)地了解器件的開關(guān)性能，將對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的優(yōu)化帶來極大的好處。比如能在不同的電壓、電流和溫度下獲得開關(guān)損耗，給系統(tǒng)仿真提供可靠的數(shù)據(jù);又比如可以通過觀察波形振蕩情況來選擇合適的門極電阻。

雙脈沖測(cè)試原理

顧名思義，雙脈沖測(cè)試就是給被測(cè)器件兩個(gè)脈沖作為驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，如圖1所示。第一個(gè)脈沖相對(duì)較寬，以獲得一定的電流。同時(shí)第一個(gè)脈沖的下降沿作為關(guān)斷過程的觀測(cè)時(shí)刻，而第二個(gè)脈沖的上升沿則作為開通過程的觀測(cè)時(shí)刻。

圖1

考慮到可能的電場(chǎng)干擾，最佳的雙脈沖平臺(tái)是全橋結(jié)構(gòu)的，如圖2所示。3管的門極給15V常開信號(hào)，4管則是處于常關(guān)，2管作為被測(cè)器件給予雙脈沖信號(hào)。1管主要作用于續(xù)流，所以門極可以是常關(guān)信號(hào)，或者在使用MOS管時(shí)門極用同步整流信號(hào)。第1個(gè)脈沖來臨時(shí)，電流經(jīng)過3管和負(fù)載電感進(jìn)入2管。為了得到一個(gè)期望的電流值，此脈沖需持續(xù)一定時(shí)長(zhǎng)，時(shí)長(zhǎng)可通過T=I*L/V來獲得，其中L是負(fù)載電感值，I是期望電流，V是母線電壓。當(dāng)然實(shí)際中可以直接用示波器觀察電流值來調(diào)整脈寬。

第一個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)，2管關(guān)斷，表現(xiàn)出器件的關(guān)斷波形。此后，電流在3管、負(fù)載和1管中續(xù)流。當(dāng)?shù)?個(gè)脈沖到來時(shí)，2管開通，1管上的電流重新流入2管，這時(shí)可測(cè)量1管的反向恢復(fù)特性及2管的開通特性。其中電流的獲取在小功率時(shí)可以采用電流檢測(cè)電阻，而大電流時(shí)一般使用磁性電流檢測(cè)器，比如羅氏線圈或者Pearson磁環(huán)。關(guān)于電壓電流探頭的使用之前有專門的文章詳細(xì)介紹過。

圖2

平時(shí)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量時(shí)結(jié)構(gòu)上也可以簡(jiǎn)化成半橋形式，如圖3，工作原理和全橋類似，這里就不贅述了。

圖3

哪些參數(shù)可以通過雙脈沖實(shí)驗(yàn)獲得?

通過雙脈沖測(cè)試，可以得到包括開關(guān)損耗，各電壓電流尖峰值，斜率變化值在內(nèi)的動(dòng)態(tài)參數(shù)。比如IGBT參數(shù)：

各參數(shù)可以在示波器上直接測(cè)量得到，定義如圖4：

圖4

以及反并聯(lián)二極管參數(shù)：

各參數(shù)測(cè)量定義如圖5：

圖5

其中開關(guān)損耗需要借助示波器的函數(shù)運(yùn)算功能獲得，也可以把所有波形都存成表格點(diǎn)再后期進(jìn)行處理運(yùn)算。圖6和圖7分別是開通和關(guān)斷波形。其中1通道黑色的是被測(cè)器件VCE的信號(hào)，2通道紅色的是橋臂電流，3通道綠色的是門極信號(hào)。數(shù)學(xué)運(yùn)算1是電壓和電流信號(hào)的乘積，數(shù)學(xué)運(yùn)算2是該乘積的積分線，也就是損耗值。根據(jù)國(guó)標(biāo)定義，開通損耗的積分時(shí)間區(qū)間為門極電壓上升的10%到VCE電壓下降至2%這個(gè)區(qū)間;而關(guān)斷損耗的積分時(shí)間區(qū)間為門極電壓下降至90%到電流降到2%。如果有些許振蕩的話，以第一次觸及邊界值為準(zhǔn)。但有嚴(yán)重振蕩的話建議調(diào)整驅(qū)動(dòng)參數(shù)(比如增加門極電阻)重新測(cè)量。

圖6

圖7

總結(jié)

雙脈沖測(cè)試非常適合研發(fā)階段對(duì)器件在系統(tǒng)上的損耗評(píng)估，為系統(tǒng)仿真帶來數(shù)據(jù)支持。畢竟有太多的因素會(huì)使實(shí)際值和數(shù)據(jù)規(guī)格產(chǎn)生很大差別，用規(guī)格書上的值做為仿真依據(jù)粗糙了些，當(dāng)然器件選型的時(shí)候還是很值得借鑒的。設(shè)計(jì)越精準(zhǔn)，對(duì)成本控制就越友好。