双脉冲测试之开关特性参数讲解

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引言

功率开关器件的规格书上有着多种多样的数据，如静态特性参数，动态特性参数，开关特性参数等等。其中静态特性参数大多数可以通过静态参数一体化测试机或者源表等设备直接测出，动态特性参数则可以通过电容测试平台描绘出，最后开关特性参数则需要用到双脉冲测试才能准确测得。

双脉冲测试的必要性

要测试器件在应用上能否达到所需要的功率，一般工厂会选择直接上机测试，但是这样的方式往往会疏忽很多极端情况下的尖峰情况，也无法量化地研究功率开关器件的开关损耗等特性。在初期来看是节省了很多的测试时间，一旦涉及项目更多或涵盖工程面更广后，就会导致风险的发生，或者是设计余量的过度浪费。因此，在设计阶段，获取并量化功率开关器件的开关特性，将会对电子整机系统的开发与优化带来前瞻性的优势。

双脉冲测试平台的结构

双脉冲测试平台的基本结构如图1所示。其主要结构由2个组成半桥电路的功率开关器件和一个电感组成，上桥臂一般与其源极短接，始终处于关断状态，下桥臂接收双脉冲信号，控制回路开关状态。

图1 双脉冲测试基本结构

双脉冲测试所测得的波形如图2所示，双脉冲测试中的第一个脉冲用于给电感充电，获得一个指定值的电流，观察其下降沿就会得到关断状态的相关数据，包括关断时间，关断损耗，tf等参数；观察第二个脉冲的上升沿则会得到开启状态的相关数据，包括开启时间，开启损耗，tr等参数。

图2 双脉冲测试理想波形

双脉冲过程分解

1、第一个脉冲的开启过程：由于此前电感没有储能，此时处于零电流开启状态，随着下桥臂器件的开启，电压由功率开关器件逐渐转移至电感上。

2、第一个脉冲的稳态过程：此时回路状态稳定，下桥臂器件完全开启，电感承载母线电压，电感工作电流迅速上升。

3、第一个脉冲的关断过程：此时电感有一个较大的工作电流，随着下桥臂器件逐渐关断，电感的电压转移至下桥臂器件，由于电感遵循电流不突变原则，电感为了保持电流的持续性，原本在下桥臂器件流通的回路电流，将会转移至上桥臂器件的二极管内续流。

4、双脉冲之间的关断时间：此时回路状态稳定，下桥臂器件关断，电感的储能电流持续在上桥臂器件的二极管内续流。

5、第二个脉冲的开启过程：由于此前电感有储能电流在上桥臂器件的二极管内续流，此时开启为带负载开启。随着下桥臂器件的开启，电压由功率开关器件逐渐转移至电感上，电感的续流电流从上桥臂器件的二极管转移至下桥臂中。同时二极管由正向偏压转变为反向耐压，二极管会排出续流的载流子，形成反向恢复电流。

双脉冲测试点定义

图3为规格书各开关参数：

图3 规格书中常见的IGBT开关特性参数

将第一个脉冲的关断过程详细展开会得到如图4的波形，从中计算得出td(off)，tf和Eoff等数据。

td（off）: 90% Vgate至90% Ic。

tf : 90% Ic下降至10% Ic。

Eoff : 90% Vgate至2% Ic的损耗。

要测得Eoff值，一般需要用到示波器的函数运算功能，如图5所示，首先通过数学运算将被测器件电流与电压相乘，得到一条新的曲线，被测器件损耗功率。该曲线在未开始关断时，可以看到有一个较小的数值，这是器件的导通损耗。在关断的过程中被测器件损耗功率迅速上升，这是由于器件栅极信号下降至弥勒平台区域，器件开始关断，其CE电压迅速上升，由于负载为感性负载，电流的变化存在一定的相位延迟并没有立刻发生变化。等到器件的电压上升至接近峰值的时候，此时电感上的电压数值较高，电流开始减小，此时的被测器件损耗功率也达到了峰值。最后器件电流下降至完全关断，损耗彻底消失。从90%的栅极信号至2%的器件电流这段时间之内，将被测器件损耗功率通过示波器积分运算所得出的数值，就是Eoff。

图4 第一个脉冲的理想关断过程

图5 Eoff的计算方式

通过同样的方式，我们也可以在第二个脉冲开启过程中计算得出td(on)，tr和Eon等数据。

td（on）: 10% Vgate至10% Ic。

tr : 10% Ic上升至90% Ic。

Eon : 10% Vgate至2% Vce的损耗。

通过同样的方式，我们也可以在第二个脉冲开启过程中计算得出td(on)、tr和Eon等数据，如图7所示。10%的栅极信号至10%的被测器件电流所用时间定义为td（on），10%至90%的被测器件电流所用时间定义为tr。从10%的栅极信号至2%的器件电压这段时间之内，将被测器件损耗功率通过示波器积分运算所得出的数值，就是Eon。

图7 Eon的计算方式

在第二个脉冲的开启过程中，二极管从正向导通转变为反向耐压状态，此时就能测得所有关于二极管的电学特性。

Qrr，即二极管反向恢复电荷，二极管从正向导通转变为反向耐压的过程中，需要排出结中的载流子，此时会形成一个反向的电流尖峰，使用示波器的积分功能计算这段电流尖峰，就能准确算出Qrr。

Irrm，二极管的反向尖峰最大值，测量反向恢复期间尖峰的最高值即可获得。

Trr，反向恢复时间，通常为反向恢复电流上升区间的10%至下降区间的10%Irrm。

图8 二极管开关特性

图9 规格书中常见的二极管特性

以上所谈到的波形都是基于理论的数值计算，其实际测试波形如图10和图11，分别是开通和关断波形。其中1通道黄色的是门极信号，2通道蓝色的是被测器件VGE的信号，3通道绿色的是被测器件的Ic。数学运算1是电压和电流信号的乘积，也就是损耗值。测试过程中开关瞬间还会遇到各种震荡等现象，部分可能是源于器件本身特性的问题，另一部分则源于双脉冲测试平台架构的寄生参数。在震荡过大以至于影响电流电压判断的环境中，则建议适当降低开关速度以获得较为准确的测试值。