第44讲：HVIGBT的单脉冲与双脉冲测试

讲座概述

本系列讲座旨在分享功率半导体的原理和相关应用知识，已发布的第1-30讲主要介绍了功率半导体的基础知识。从第31讲起为大家介绍HVIGBT的一系列相关知识，以帮助读者全面了解HVIGBT的工作原理、特性和正确应用方法。

1.1 单脉冲测试

1.1.1 单脉冲测试目的及方法单脉冲的测试电路和双脉冲的测试电路是一样的，如图6.14所示。单脉冲测试，主要目的是用于检测电路工作是否正常，包含驱动电路的工作状态、工作时序、供电电源等。
测试步骤：(以下管作为被测IGBT为例)
1)  检查测试电路路连接是否正确，包含HVIGBT和母排的连接、HVIGBT驱动线和HVIGBT的连接、驱动板和信号发生器之间的连线等；2) 15V电源上电，确认HVIGBT端子上面的电压为负压，包含上管和下管；3)  施加驱动信号，确认下管HVIGBT端子上的驱动脉冲和所施加的信号的逻辑和宽度一致；4)  施加驱动信号20us，并同时使能驱动板VCE(sat)检测信号，确认HVIGBT端子上面的驱动信号能够在在10us之内保护；5)  施加母线电压在30~50V，施加驱动信号10us，确认电流波形、VCE电压波形，以及驱动波形正常；6)  施加母线电压到HVIGBT额定电压的一半，并施加合适宽度的驱动信号，确认电流、电压和驱动波形正常，且驱动波形无干扰；7)  进行额定工况的测试，或者进行双脉冲测试。

1.2 双脉冲测试

1.2.1 双脉冲测试目的及方法通常我们对目标HVIGBT的认识首先是基于其规格书上的性能参数。然而，规格书中所描述的参数是在给定的外部参数测试得来的。在实际应用中，很多参数需要根据需求来调整的，比如母排的杂散电感、吸收电路和驱动参数等，而这些参数和规格书中的标定往往会有所不同，因此规格书中一些参数是不能直接拿来使用的。我们需要了解HVIGBT在具体应用中更真实的表现。这包含以下三方面：
首先，需要评估HVIGBT开关过程中的主要参数，以确认死区的选择和损耗的计算，并评估驱动参数的选取是否合适，以及是否需要吸收电路等。
其次，在实际的系统实际中，对于HVIGBT模块内部封装的反并联二极管特性进行研究也是必要的。这包含反向恢复电流的测量、二极管的反向安全工作区(RRSOA)和关断波形的评估等。
最后，在系统最终选择HVIGBT产品时，往往会考虑选取两家或者以上品牌的产品以满足商务方面的需求，如供货和商务价格谈判等。这样就需要在同等工作条件下来对这些不同品牌HVIGBT模块的进行性能对比。
以上要求，都可以通过双脉冲测试来实现。
图6.14 双脉冲测试电路
图6.14给出了双脉冲测试电路。其中，半桥电路的上管是施加负压而关断的，下管则是施加双脉冲信号。
图6.15所示的t1~t3的脉冲，因此，被测对象是下管的IGBT和上管的反并联二极管。在这个测试电路中，可以采用标准低压探头测试VGE波形，标准高压探头或者差分探头来测试VCE，以及用柔性电流探头(罗氏线圈)来测量电流。
在施加t1~t3的脉冲之后，便可以得到如下的示意测试波形，如图6.15所示。

图6.15 双脉冲测试示意波形

根据式6.9可知，开通时间t1和t3的脉宽会影响HVIGBT的电流的大小，而且可以根据实际测试的需要来调整t1和t3，即调整HVIGBT的电流的大小。在图6.15中，t1脉冲的初始时刻IGBT驱动信号变为高(+15V)，流过HVIGBT的电流开始上升，直到在t1脉冲结束时刻，驱动信号变为低(-15V)，由于负载电感的存在，电流换流到上管的二极管，直到t2脉冲结束，HVIGBT再次导通，电流在t1脉冲的基础上继续增大，直到t3脉冲关断结束。具体过程如下：
t1脉冲区间：下管T2导通，直流侧电压加在电感两端，电感电流线性上升，直至t1脉冲结束时刻下管T2关断；t2脉冲区间：下管T2管关断，电感通过上管T1的反并联二极管续流，电感电流缓慢衰减；t3脉冲区间：下管T2管再次导通，直流侧电压加在电感两端，电感电流线性上升，直至t3脉冲结束时刻下管T2再次关断。
通过观测下管T2管在第二次开关过程中的开通和关断波形，可以测量获得开关管的开通和关断损耗。
由于下管T2第二次开通动作中，存在电流由上管T1反并联二极管向下管T2的IGBT换流的过程，与开关管在变流器正常运行过程工况基本相同，可以利用其测量而获得续流二极管的反向恢复特性、IGBT的开通损耗、开通延时和上升时间等信息；在下管T2第二次关断过程中，通过观测T2上的电压、电流波形，可以计算获得IGBT的关断损耗、关断延时和下降时间等信息，并可通过关断过压评估复合母排杂感及吸收电容设计的合理性。
一般来说，可以通过选取合适的电感和T1的脉宽使得在t1时刻的电流达到额定值。这样的话，在T3和T1相等脉宽的条件下，t3时刻便可以达到额定电流的两倍，从而可以测试HVIGBT是否工作在其关断安全工作区(RBSOA)内。
1.2.2 双脉冲测试波形分析通过双脉冲测试可以测量HVIGBT的动态参数。动态参数的读取是在额定电流下来进行的。图6.16和图6.17就以CM1200HC-66H的开关波形为例，来定义开关过程中的各个参数。
图6.16 HVIGBT开通参数测量

图6.17 HVIGBT关断参数测量
在示波器上，通过标线(tracer)功能，将标线定位在所需要的位置，然后通过读取示波器所给出的时间差值，便可以得出开通和关断时间。如图6.16所示，如果需要测量开通延时，则需要将一根标线定位在驱动波形VGE的10%，即1.5V，另外一根标线定位在电流IC的10%，即120A，则示波器会计算给出两根标线之间的时间差，从而读取此值并获得开通延时。同样地，可以测量开通上升时间tr，以及关断的时间参数。
对于Eon和Eoff的测量，可以把被测IGBT的电压VCE和电流IC连接到示波器的1通道和2通道，然后利用示波器的计算功能，对1通道和2通道的电压和电流的乘积进行积分，便可以得到相应的Eon和Eoff。同时，利用示波器光标曲线选择电压值10%和电流值10%的区间面积，也可以得到相应的Eon(10%)和Eoff(10%)。在三菱电机的规格书中，这两种开通损耗(Eon)和关断损耗(Eoff)均有定义。
1.2.3 直流母排杂散电感的计算利用双脉冲测试波形，还可以评价母排的杂散电感。
图6.18给出了CM1200DC-34N的开通波形。从图中可以看出，在HVIGBT开通的过程中，电压VCE有一个平台，利用这个平台处的压降和di/dt，便能够计算母排的杂散电感。图中，绿色线为电流IC波形，紫色为VCE电压波形，蓝色线为驱动VGE波形。
图6.18 CM1200DB-34N的开通波形

式中，为CM1200DC-34N硅片上的电压；为直流母线电压；为主电路的杂散电感(包含模块内部的杂散电感)产生的压降；为主电路的杂散电感。
因此，回路杂散电感可以表示为：
以图6.18中的实际测试数值为例，则可以求得回路杂散电感为：
由于CM1200DC-34N模块内部的杂散电感为30nH，因此，所设计的母排杂散电感为154-30=124nH。
1.2.4  安全工作区的测量利用双脉冲测试可以判断HVIGBT的工作条件是否在规格书安全工作区内。
1.2.4.1 关断安全工作区(RBSOA)的测试在HVIGBT的关断波形测试中，可以通过示波器的X-Y功能来实现对RBSOA的测量。一般地，将示波器的1通道和2通道连接被测IGBT的VCE电压和IC电流，然后利用示波器的X-Y功能得到横坐标为电压而纵坐标为电流的波形。这里需要注意的是，在示波器的显示屏上尽可能满屏显示电压初始上升到电流下降结束的波形，以得到准确的测试结果。这种波形也可以存为csv的数据格式，以便和安全工作区比较。图6.19给出了一个关断安全工作区的测试结果与规格书中安全工作区比较的波形。
图6.19 通过坐标转换后的Ic-VCE曲线和RBSOA
1.2.4.2二极管反向恢复安全工作区(RRSOA)的测试在双脉冲测试中，利用第二个脉冲的开通时刻可以对二极管的RRSOA进行测量。同样，也要利用示波器的X-Y功能得到横坐标为电压而纵坐标为电流的波形。这种波形也可以存为csv的数据格式，以便和安全工作区比较。图6.20给出了一个反向恢复安全工作区的测试结果与规格书中安全工作区比较的波形。
图6.20 通过坐标转换后的IE-VCE曲线和RRSOA曲线
为了获得正确的安全工作区测试波形，在实验中需要注意以下几点：
a) 关断过程中的VCE或VEC瞬间电压是在HVIGBT的辅助集电极和辅助发射极测量的。b) 用于测量集电极电流Ic或IE的电流传感器不能显著增加直流母线回路的杂散电感Ls。c) 如果实际的直流母线杂散电感Ls超过了规格书中Eoff测量所使用的电感量，需要重新和三菱电机确认RBSOA极限。d) 当使用示波器将Ic-t和VCE-t波形转换为Ic-VCE或将IE-t和VEC-t波形转换为IE-VEC曲线时，必须对电流传感器的延时进行正确的补偿。e) RBSOA和RRSOA需要在全运行工况下进行确认，包括电流、母线电压和结温Tj。所有的Ic-VCE及IE-VEC曲线都应该在器件规格书的规定SOA内。