功率半導(dǎo)體器件本質(zhì)是利用半導(dǎo)體的單向?qū)щ娦愿淖冸娐分械碾妷骸?a href="http://www.delux-kingway.cn/tags/電流/" target="_blank">電流、頻率、導(dǎo)通狀態(tài)等物理特性，實(shí)現(xiàn)電源開關(guān)和電力轉(zhuǎn)換等管理。功率半導(dǎo)體種類較多，根據(jù)可控性可分為不可控型（二極管）、半可控型（晶閘管）及全控型（IGBT、MOSFET 為主）。其中IGBT（絕緣柵雙極晶體管）被廣泛應(yīng)用于中、高電壓及大電流場(chǎng)合的功率半導(dǎo)體器件。它綜合了 MOSFET和雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn)，具有導(dǎo)通壓降低、開關(guān)速度快、電流和電壓定額高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于變頻器、電動(dòng)汽車、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域。

IGBT測(cè)試

IGBT 測(cè)試通常分為靜態(tài)參數(shù)測(cè)試和動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試兩大類。靜態(tài)參數(shù)測(cè)試主要是對(duì)IGBT在靜態(tài)（即開關(guān)狀態(tài)不變）條件下的電氣特性進(jìn)行測(cè)試，常見的測(cè)試項(xiàng)目有門極閾值電壓（VGE(th)）、門極截止電壓（VGE(off)）、集電極-發(fā)射極飽和電壓（VCE(sat)）等；動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試主要評(píng)估 IGBT 在開關(guān)過程中的性能，包括開關(guān)時(shí)間、能量損耗等。其常見測(cè)試項(xiàng)目是開關(guān)時(shí)間(tf, tr)、開關(guān)能量(Eon, Eoff)等。

雙脈沖測(cè)試是IGBT動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試中最常用的測(cè)試方法。工程師為了能夠評(píng)估和選擇最合適的IGBT模塊、優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路和散熱設(shè)計(jì)、提高系統(tǒng)的效率和可靠性，并在設(shè)計(jì)和研發(fā)階段發(fā)現(xiàn)潛在的問題，避免在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)故障，通常會(huì)進(jìn)行雙脈沖測(cè)試。通過這種測(cè)試，可以評(píng)估IGBT 模塊的性能和可靠性。

測(cè)試挑戰(zhàn)

雙脈沖測(cè)試電路如圖所示。被測(cè)對(duì)象為下橋臂的IGBT和上橋臂的二極管。負(fù)載電感與上橋臂的IGBT、二極管并聯(lián)，上橋臂的IGBT的門極上加上負(fù)電壓保證上橋臂IGBT是關(guān)斷的。測(cè)試時(shí)用示波器觀察開關(guān)波形并測(cè)量開關(guān)參數(shù)，高壓隔離探頭測(cè)量集電極和發(fā)射極間電壓，即Vce；電流探頭測(cè)量流經(jīng)發(fā)射極的電流，即Ic；低壓探頭測(cè)量柵極到發(fā)射極之間的電壓，即Vge。

▲雙脈沖測(cè)試原理圖

對(duì)被測(cè)器件施加兩個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在第一個(gè)脈沖達(dá)到設(shè)定電流后關(guān)斷IGBT，觀測(cè)待測(cè)器件的關(guān)斷過程；隨后在第二個(gè)脈沖的上升沿觀測(cè)待測(cè)器件的開通過程，典型雙脈沖波形如下圖所示：

▲雙脈沖波形

從如上圖波形圖可以看出雙脈沖測(cè)試基本經(jīng)過 4 個(gè)階段：

? T0 時(shí)刻，IGBT的門極收到第一個(gè)脈沖所以飽和導(dǎo)通，電容的電動(dòng)勢(shì)加在電感 L上，電感電流線性上升，通過調(diào)節(jié)第一個(gè)脈沖時(shí)間也就是IGBT導(dǎo)通時(shí)間可以控制電流大小，并在此之后脈沖結(jié)束，IGBT關(guān)斷。

? T1 時(shí)刻，IGBT關(guān)斷，電流探頭測(cè)試位置處沒有電流，所以示波器上測(cè)試電流為0。由于寄生電感的原因在關(guān)斷瞬間Vce會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰。

? T2 時(shí)刻，IGBT接收到第二個(gè)脈沖再次導(dǎo)通，上橋臂二極管反向恢復(fù)導(dǎo)致反向恢復(fù)電流穿過IGBT，反向恢復(fù)電流和電感L的電流疊加產(chǎn)生電流尖峰。

? T3 時(shí)刻，第二個(gè)脈沖結(jié)束，IGBT再次關(guān)斷，因?yàn)殡s散電感的原因會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰。

在測(cè)試過程中我們需要關(guān)心測(cè)試中電壓電流的異常震蕩、反向恢復(fù)時(shí)間、上升時(shí)間、關(guān)斷/開通時(shí)間等參數(shù)，測(cè)試過程中會(huì)使用示波器、信號(hào)源設(shè)備完成測(cè)試，完成這些測(cè)試對(duì)測(cè)試設(shè)備也提出以下。要求：

? 高壓測(cè)試下的帶寬和通道數(shù)：IGBT器件每一次的通斷和關(guān)斷都伴隨著快速變化的高壓降低到0，需要測(cè)試設(shè)備在高壓測(cè)試有足夠的帶寬和準(zhǔn)確的測(cè)試上升時(shí)間。同時(shí)一次需要完成Vge、Vce和 Ic的測(cè)試，至少具備3通道滿足測(cè)試。

? 精確捕獲電壓尖峰和異常震蕩：在測(cè)試中通常會(huì)因?yàn)榧纳姼械绕渌虍a(chǎn)生脈寬較窄的電壓尖峰，評(píng)估關(guān)斷電壓尖峰應(yīng)力，需要設(shè)備能準(zhǔn)確的采集窄過沖。在測(cè)試過程中工程師會(huì)關(guān)注電壓和電流波形是否會(huì)產(chǎn)生異常震蕩，需要測(cè)試設(shè)備能精確的采集異常震蕩。

? 精確測(cè)試高壓信號(hào)：IGBT測(cè)試通常會(huì)到幾百伏的高壓，需要設(shè)備具備相對(duì)應(yīng)的高壓測(cè)試量程并能精確測(cè)試高壓信號(hào)。

? 優(yōu)秀的抑制噪聲能力：測(cè)試時(shí)共模噪聲會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)也要盡可能的減小諧振的影響。

? 雙脈沖波形輸出的易操作性：雙脈沖波形的控制和編輯需要易于工程師操作，快速完成波形的創(chuàng)建和下發(fā)。

解決方案

雙脈沖測(cè)試是了解IGBT在具體應(yīng)用中更真實(shí)的表現(xiàn)，它方便工程師更好地評(píng)價(jià) IGBT器件。RIGOL推出雙脈沖測(cè)試方案幫忙工程師更高效的完成雙脈沖測(cè)試。測(cè)試過程中通常需要DP3000系列高壓信號(hào)源對(duì)電容進(jìn)行充電，待充滿電之后再由電容進(jìn)行放電；使用信號(hào)源DG2000系列輸出雙脈沖信號(hào)控制IGBT的關(guān)斷和導(dǎo)通，同時(shí)用示波器 DHO4000系列搭配光隔離探頭 PIA1000系列、無源探頭以及電流探頭完成Vge、Vce和Ic完成雙脈沖測(cè)試。

如下圖為典型雙脈沖實(shí)測(cè)波形，圖中波形CH1為Vge、CH2為Vce、CH3為 Ic。當(dāng)然還可以通過MATH數(shù)學(xué)運(yùn)算中的乘法計(jì)算Ic*Vce的數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果，表示開關(guān)管的功耗。根據(jù)電流電壓波形，可測(cè)得動(dòng)態(tài)開關(guān)的時(shí)間參數(shù)，如Td(on), Ton, Td(off), Toff 等

如下展示雙脈沖測(cè)試所需要的設(shè)備。

? 高壓電源：可編程高壓電源需要給電容進(jìn)行充電，推薦DP3000系列高壓電源，DP3000系列包含 750W、1500W和 3000W 3個(gè)功率的可編程直流電源。它們擁有5位數(shù)顯高精度，以及顯示分辨率可達(dá)0.1mV/0.1mA，同時(shí)采用錯(cuò)相技術(shù)設(shè)計(jì)，有效降低輸出紋波與噪聲，提供純凈電源輸出，保證設(shè)備的可靠及用電安全。

? 雙脈沖信號(hào)源：雙脈沖測(cè)試中需要用戶能夠創(chuàng)建具有不同脈寬的脈沖，這一直是主要的用戶痛點(diǎn)，因?yàn)閯?chuàng)建具有不同脈寬的脈沖的方法耗時(shí)，所以需要信號(hào)源具備快速建立雙脈沖波形的功能。DG2000可以在PC上位機(jī)快速創(chuàng)建不同脈寬的脈沖并上傳到函數(shù)發(fā)生器，可以方便用戶創(chuàng)建出不同脈寬的雙脈沖信號(hào)。

? 示波器：DHO4000/MSO8000系列。DHO4000系列示波器為12Bit分辨率、4GSa/s采樣率，800MHz帶寬，高分辨率可以讓信號(hào)細(xì)節(jié)精細(xì)呈現(xiàn)。MSO8000系列示波器為8Bit分辨率、10Gsa/s采樣率、2GHz帶寬，更高的帶寬以及采樣率可以保真地采集信號(hào)的上升沿和異常震蕩。

? 光隔離探頭：PIA1000系列光隔離探頭使用光纖供電與傳遞模擬信號(hào)，在測(cè)試系統(tǒng)和DUT之間實(shí)現(xiàn)完全的電氣隔離，允許探頭在大共模電壓下浮動(dòng)測(cè)量。180dB的高共模抑制比(CMRR)、1GHz的最高帶寬以及86kV共模電壓能夠滿足功率半導(dǎo)體組成的高壓高頻電路測(cè)試需求，保證測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性。

如下圖為用200M的光隔離探頭和高壓差分探頭測(cè)試同一個(gè)Vgs信號(hào)，CH1為光隔離探頭的測(cè)試波形，CH3為高壓差分探頭的測(cè)試波形，出現(xiàn)了明顯的震蕩，隔離探頭的測(cè)試結(jié)果是更加可靠的。

? 電流探頭：電流探頭測(cè)量流經(jīng)發(fā)射極的電流，推薦PCA2030系列電流探頭。

結(jié)論

通過雙脈沖測(cè)試，可以獲得IGBT的開關(guān)特性參數(shù)，如開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗、導(dǎo)通壓降等。這些參數(shù)為電力電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要依據(jù)。同時(shí)，雙脈沖測(cè)試也可以用于生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制，確保IGBT模塊的性能符合設(shè)計(jì)要求。RIGOL 推出雙脈沖測(cè)試方案，可以幫助用戶完成IGBT雙脈沖測(cè)試，讓測(cè)試效率事半功倍。如下為RIGOL IGBT雙脈沖測(cè)試方案推薦：

方案優(yōu)勢(shì)：

? 寬頻帶和高速響應(yīng)：光隔離探頭配合高帶寬高采樣率示波器的測(cè)試系統(tǒng)具有較寬的頻帶和較高的響應(yīng)速度，這有助于捕捉IGBT在快速開關(guān)過程中產(chǎn)生的短暫的高頻信號(hào)。

? 電氣隔離及優(yōu)秀的抗干擾：PIA1000通過光纖傳輸信號(hào)及供電，取代了傳統(tǒng)的電氣連接，提供極佳的隔離效果。它擁有強(qiáng)大的共模信號(hào)抑制能力，有助于減少由電源線噪聲、地回路干擾等引起的共模噪聲。

? 兼容性和靈活性：靈活的雙脈沖波形編輯、不同型號(hào)附件的帶寬的探頭選擇讓測(cè)試方案配置和部署更加靈活。