雙脈沖測試基礎系列：基本原理和應用
發布時間：2021-9-23 17:50
發布者：eechina
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作者：英飛凌科技大中華區應用工程師 鄭姿清 編者按 雙脈沖是分析功率開關器件動態特性的基礎實驗方法，貫穿器件的研發，應用和驅動保護電路的設計。合理采用雙脈沖測試平臺，你可以在系統設計中從容的調試驅動電路，優化動態過程，驗證短路保護。 雙脈沖測試基礎系列文章包括基本原理和應用，對電壓電流探頭要求和影響測試結果的因素等。 為什么要進行雙脈沖測試？ 在以前甚至是今天，許多使用IGBT或者MOSFET做逆變器的工程師是不做雙脈沖實驗的，而是直接在標定的工況下跑看能否達到設計的功率。這樣的測試確實很必要，但是往往這樣看不出具體的開關損耗，電壓或者電流的尖峰情況，以及寄生導通情況。這會導致對有些風險的認識出現盲點，進而影響最后產品未來的長期可靠性。又或者設計裕量過大帶來成本增加，使得產品的市場競爭力下降。如果能在設計研發階段，精準地了解器件的開關性能，將對整個產品的優化帶來極大的好處。比如能在不同的電壓、電流和溫度下獲得開關損耗，給系統仿真提供可靠的數據；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。 雙脈沖測試原理 顧名思義，雙脈沖測試就是給被測器件兩個脈沖作為驅動控制信號，如圖1所示。第一個脈沖相對較寬，以獲得一定的電流。同時第一個脈沖的下降沿作為關斷過程的觀測時刻，而第二個脈沖的上升沿則作為開通過程的觀測時刻。 
圖1 考慮到可能的電場干擾，最佳的雙脈沖平臺是全橋結構的，如圖2所示。3管的門極給15V常開信號，4管則是處于常關，2管作為被測器件給予雙脈沖信號。1管主要作用于續流，所以門極可以是常關信號，或者在使用MOS管時門極用同步整流信號。第1個脈沖來臨時，電流經過3管和負載電感進入2管。為了得到一個期望的電流值，此脈沖需持續一定時長，時長可通過T=I*L/V來獲得，其中L是負載電感值，I是期望電流，V是母線電壓。當然實際中可以直接用示波器觀察電流值來調整脈寬。 第一個脈沖結束時，2管關斷，表現出器件的關斷波形。此后，電流在3管、負載和1管中續流。當第2個脈沖到來時，2管開通，1管上的電流重新流入2管，這時可測量1管的反向恢復特性及2管的開通特性。其中電流的獲取在小功率時可以采用電流檢測電阻，而大電流時一般使用磁性電流檢測器，比如羅氏線圈或者Pearson磁環。關于電壓電流探頭的使用之前有專門的文章詳細介紹過。
圖2 平時實驗室測量時結構上也可以簡化成半橋形式，如圖3，工作原理和全橋類似，這里就不贅述了。
圖3 哪些參數可以通過雙脈沖實驗獲得？ 通過雙脈沖測試，可以得到包括開關損耗，各電壓電流尖峰值，斜率變化值在內的動態參數。比如IGBT參數：
各參數可以在示波器上直接測量得到，定義如圖4：
圖4 以及反并聯二極管參數：
各參數測量定義如圖5：
圖5 其中開關損耗需要借助示波器的函數運算功能獲得，也可以把所有波形都存成表格點再后期進行處理運算。圖6和圖7分別是開通和關斷波形。其中1通道黑色的是被測器件VCE的信號，2通道紅色的是橋臂電流，3通道綠色的是門極信號。數學運算1是電壓和電流信號的乘積，數學運算2是該乘積的積分線，也就是損耗值。根據國標定義，開通損耗的積分時間區間為門極電壓上升的10%到VCE電壓下降至2%這個區間；而關斷損耗的積分時間區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。但有嚴重振蕩的話建議調整驅動參數（比如增加門極電阻）重新測量。
圖6
圖7 總結 雙脈沖測試非常適合研發階段對器件在系統上的損耗評估，為系統仿真帶來數據支持。畢竟有太多的因素會使實際值和數據規格產生很大差別，用規格書上的值做為仿真依據粗糙了些，當然器件選型的時候還是很值得借鑒的。設計越精準，對成本控制就越友好。 |
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