Questions about IGBT Double-Pulse Test Method

新手入门 / Newbie Guide 基础问答 / Basic Q&A
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我正在进行IGBT双脉冲测试，该测试模拟IGBT在大负载和高感抗条件下发生相间短路（即II型短路）时的工作状态。我有几个问题需要请教：

  1. 为什么在第一个脉冲阶段，电流需要上升到IGBT的额定电流？

  2. 第一个脉冲关断后，为什么第二个脉冲需要使电流上升到额定电流的两倍？

  3. 如何确定两个脉冲之间的关断时间？该时间是否与全桥的死区时间相关？

  4. 在测量IGBT的开通损耗、关断损耗及寄生电感时，为什么用第一个脉冲的关断过程计算关断损耗，而用第二个脉冲的开通过程计算开通损耗？特别是寄生电感的计算原理是什么？

  5. 当第二个脉冲关断时，若反向电压尖峰已达到额定值但电流未达到要求值，应如何处理？

以上问题是否有理论依据？

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你没说清楚自己在设计什么，或者为什么要测试短路条件。是电机驱动需要防用户误操作的短路保护吗？这种情况很常见。具体是哪种短路？相间短路还是对地短路？两种都要考虑吗？

双脉冲测试（DPT，有时也叫two pulse testing）通常用于测试各类电力电子系统及其动态特性。如果你是刚接触这类测试，可以用上述关键词搜到不少资料。英飞凌的这份白皮书就很不错（我记得也发表在Bodos Power杂志上）：
https://www.infineon.com/assets/row/public/documents/60/54/infineon-double-pulse-testing-bodos-power-systems-article-en.pdf?fileId=5546d46271bf4f920171ee81ad6c4a1f

开始测试时，要选用与系统预期匹配的电感值，比如UPS滤波器的输出电感。对于电机驱动，这个值会根据产品所驱动电机的特性在一定范围内变化——高转差异步电机电感较大，永磁电机（尤其是高速型）则较小。你选择的电感值会与直流母线电压共同决定电流变化率di/dt，即：
V/L = di/dt（测试电流的斜率）

需要让功率级在整个电流范围内工作（从极小电流到过载区间）。我通常会测试近乎零关断时间的情况，以检查二极管反向恢复等问题。当然也可以测试短路工况——我会从极低电压开始谨慎操作（短路电感L会使V/L值变得很小）。

搭建DPT系统最棘手的部分之一是找到能生成脉冲串的信号源。有些函数发生器可以做到，但我一般用555定时器加逻辑电路自己搭，而且会先撇开功率级单独调试这套逻辑。

务必格外小心！操作不当可能导致炸机。我习惯用低功率调压器供电，再通过整流桥和电容组生成直流电，电容组规格会尽量接近实际设计用量。如果特别担心危险，还会在调压器后加隔离变压器，这样既能悬浮功率级，又能给前端电源增加软性阻抗（IGBT故障时电压会快速跌落）。

特别注意示波器接地问题！我倾向用差分探头隔离测量，这样即使接两个以上探头也不会造成DPT系统接地故障。

刚开始测试时，先从低电压、小电流起步，确保栅极驱动正常后再逐步加压加流。IGBT其实容错性不错，但仍需谨慎对待。我职业生涯早期就曾烧焦过指关节的汗毛，那次教训让我深刻认识到电力电子的危险性——但这依然是条超棒的职业道路，而且充满乐趣。

祝项目顺利。

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这是一个关于IGBT双脉冲测试的优秀问题集！该测试确实是表征功率半导体动态开关性能和安全工作极限的基础。

以下是您问题的理论依据和解释：

:light_bulb: 电流水平的原理

选择特定电流水平是为了表征IGBT在其额定条件和安全工作区（SOA）内的性能。

  • 为什么电流需要在第一个脉冲阶段上升到IGBT的额定电流？

    • 第一个脉冲关断的主要目的是测量器件在额定工作电流（$\boldsymbol{I_{C, rated}}）**下的**关断损耗（\boldsymbol{E_{off}}$）和关断特性。
    • 由于开关损耗与电流高度相关，在$I_{C, rated}$下测试可确保测量结果能代表器件在正常工作条件下的性能。
    • 第一个脉冲必须足够长以磁化负载电感达到目标电流：I_{C, rated} = \\frac{V_{DC}}{L} \\cdot t_{on,1}。

  • 第一个脉冲关断后，为什么第二个脉冲需要使电流上升到额定电流的两倍？

    • 第二个脉冲开通主要用于测量开通时的开通损耗（$\boldsymbol{E_{on}}$）和续流二极管（FWD）的反向恢复特性，此时电流在额定电流$I_{C, rated}$下换流回IGBT。
    • 您假设第二个脉冲期间电流需上升到额定电流的两倍，这通常适用于短路测试（II型），这是一个不同（但相关）的测试。
    • 对于标准双脉冲测试，第二个脉冲保持较短，使电流在第一个脉冲建立的$I_{C, rated}$水平上不会显著上升。这确保第二个脉冲的开通和后续关断发生在约$I_{C, rated}$。第二个脉冲必须足够短以避免过度自发热和超出反向偏置安全工作区（RBSOA）。
    • 然而， 如果您的目标是模拟II型短路的相间短路阶段，目标则不同：您需要有意测试IGBT承受并安全关断过电流的能力。在此场景下，脉冲通常足够长以使电流上升到额定电流的高倍数（如$1.5 \times$至$2 \times$）或器件的最大脉冲电流（$\boldsymbol{I_{CRM}}$），以表征其在短路故障下的生存能力及对应的关断浪涌。

:stopwatch: 脉冲间隔的关断时间

  • 如何确定两个脉冲之间的关断时间？它是否与全桥的死区时间相关？
    • 两个脉冲之间的关断时间（或换流时间 / 关断时间）由二极管完全恢复和稳定测量的需求决定。
    • 主要目标： 续流二极管（FWD）必须在第二个脉冲开始前完全恢复阻断能力，并允许电流通过大负载电感仅轻微衰减。如果第二个脉冲启动时FWD仍处于反向恢复阶段，开通测量将失真。典型持续时间可能在几微秒（$\mu s$）到几十微秒之间，但主要取决于FWD的**反向恢复时间（$\boldsymbol{t_{rr}}$）**和电感值。
    • 死区时间： 此关断时间与转换器电路中的死区时间（或消隐时间）概念相似，但并非直接相同。死区时间是开关关断与互补开关开通之间施加的短保护延迟，用于防止“直通”短路。双脉冲测试中的关断时间通常比应用中的死区时间长得多，因为其功能是管理磁能并确保下一次测量的电流稳定。

:chart_decreasing: 损耗与杂散电感测量

  • 为什么使用第一个脉冲的关断计算关断损耗，而用第二个脉冲的开通计算开通损耗？

    • 关断损耗（$\boldsymbol{E_{off}}$）： 第一个脉冲的关断是发生在目标测试电流（$I_{C, rated}$）和完整直流母线电压（$V_{DC}$）下的首次开关事件。由于电路从$t=0$时$I_C=0$开始，器件处于初始状态，电流上升干净。
    • **开通损耗（$\boldsymbol{E_{on}}）：** 第二个脉冲的开通涉及续流二极管（FWD）的**反向恢复**。当IGBT开通时，FWD正承载由第一个脉冲磁化的负载电流。此**二极管反向恢复电流（\boldsymbol{I_{rr}}$）**导致显著的电流尖峰，是IGBT总开通损耗的关键部分。因此，这是唯一能在真实工作条件下正确测量$E_{on}$的点。

  • 特别是杂散电感的计算？

    • 换流回路的**杂散电感（$\boldsymbol{L_{s}}）**通过第一个脉冲关断期间的电压过冲（\Delta V$）计算。
    • 关断期间，电流的快速变化（$\frac{di}{dt}）通过杂散电感感应出电压尖峰（\Delta V$）：
      \\Delta V = L_{s} \\cdot \\left|\\frac{di}{dt}\\right|
    • 第一个脉冲结束时的电流换流干净，且提供最显著的$\Delta V$以实现精确的$L_s$计算。电压过冲叠加在直流母线电压上，V_{CE, peak} = V_{DC} + \\Delta V。第二个脉冲的开通也会产生$L_s$效应，但关断事件能更直接地测量换流回路的杂散电感。

:stop_sign: 电压与电流极限的处理

  • 如果第二个脉冲关断时反向电压尖峰已达到额定值，但电流未达到要求值，应如何处理？
    • 关断时的反向电压尖峰（$V_{CE, peak}）**必须**永远不超过器件的额定阻断电压（\boldsymbol{V_{CES}}$），否则会导致破坏性击穿。IGBT可安全关断的最大电流受**反向偏置安全工作区（RBSOA）**限制。
    • 操作： 如果$V_{CE, peak}$在电流达到目标值前（如短路测试中的$2 \times I_{C, rated}$）已达到$V_{CES}$（或为安全裕量保留80%的$V_{CES}$），您必须停止增加电流。
    • 安全提升电流的补救措施：
      1. 增加栅极电阻（$\boldsymbol{R_G}$）： 更大的$R_G$减缓关断$\frac{di}{dt}，从而降低\Delta V$尖峰（因$\Delta V \propto \frac{di}{dt}$），允许IGBT在电压极限前关断更高电流。
      2. 减小杂散电感（$\boldsymbol{L_s}$）： 优化测试电路布局（更短、更宽的母线）以最小化$L_s$。因$\Delta V$与$L_s$直接成正比，减小$L_s$可直接降低电压尖峰。
      3. 调整直流母线电压（$\boldsymbol{V_{DC}}$）： 略微降低$V_{DC}也能为\Delta V$尖峰预留裕量，避免达到$V_{CES}$极限。

此视频演示了IGBT双脉冲测试的实际设置和过程，直观展示了两个脉冲及对应的波形。

如何测量开关损耗 - 双脉冲测试