01、引言

功率開關器件的規(guī)格書上有著多種多樣的數據，如靜態(tài)特性參數，動態(tài)特性參數，開關特性參數等等。其中靜態(tài)特性參數大多數可以通過靜態(tài)參數一體化測試機或者源表等設備直接測出，動態(tài)特性參數則可以通過電容測試平臺描繪出，最后開關特性參數則需要用到雙脈沖測試才能準確測得。

02、雙脈沖測試的必要性

要測試器件在應用上能否達到所需要的功率，一般工廠會選擇直接上機測試，但是這樣的方式往往會疏忽很多極端情況下的尖峰情況，也無法量化地研究功率開關器件的開關損耗等特性。在初期來看是節(jié)省了很多的測試時間，一旦涉及項目更多或涵蓋工程面更廣后，就會導致風險的發(fā)生，或者是設計余量的過度浪費。因此，在設計階段，獲取并量化功率開關器件的開關特性，將會對電子整機系統(tǒng)的開發(fā)與優(yōu)化帶來前瞻性的優(yōu)勢。

03、雙脈沖測試平臺的結構

雙脈沖測試平臺的基本結構如圖1所示。其主要結構由2個組成半橋電路的功率開關器件和一個電感組成，上橋臂一般與其源極短接，始終處于關斷狀態(tài)，下橋臂接收雙脈沖信號，控制回路開關狀態(tài)。

圖1 雙脈沖測試基本結構

雙脈沖測試所測得的波形如圖2所示，雙脈沖測試中的第一個脈沖用于給電感充電，獲得一個指定值的電流，觀察其下降沿就會得到關斷狀態(tài)的相關數據，包括關斷時間，關斷損耗，tf等參數；觀察第二個脈沖的上升沿則會得到開啟狀態(tài)的相關數據，包括開啟時間，開啟損耗，tr等參數。

圖2 雙脈沖測試理想波形

04、雙脈沖過程分解

1、第一個脈沖的開啟過程：由于此前電感沒有儲能，此時處于零電流開啟狀態(tài)，隨著下橋臂器件的開啟，電壓由功率開關器件逐漸轉移至電感上。

2、第一個脈沖的穩(wěn)態(tài)過程：此時回路狀態(tài)穩(wěn)定，下橋臂器件完全開啟，電感承載母線電壓，電感工作電流迅速上升。

3、第一個脈沖的關斷過程：此時電感有一個較大的工作電流，隨著下橋臂器件逐漸關斷，電感的電壓轉移至下橋臂器件，由于電感遵循電流不突變原則，電感為了保持電流的持續(xù)性，原本在下橋臂器件流通的回路電流，將會轉移至上橋臂器件的二極管內續(xù)流。

4、雙脈沖之間的關斷時間：此時回路狀態(tài)穩(wěn)定，下橋臂器件關斷，電感的儲能電流持續(xù)在上橋臂器件的二極管內續(xù)流。

5、第二個脈沖的開啟過程：由于此前電感有儲能電流在上橋臂器件的二極管內續(xù)流，此時開啟為帶負載開啟。隨著下橋臂器件的開啟，電壓由功率開關器件逐漸轉移至電感上，電感的續(xù)流電流從上橋臂器件的二極管轉移至下橋臂中。同時二極管由正向偏壓轉變?yōu)榉聪蚰蛪?，二極管會排出續(xù)流的載流子，形成反向恢復電流。

05、雙脈沖測試點定義

圖3為規(guī)格書各開關參數：

圖3 規(guī)格書中常見的IGBT開關特性參數

將第一個脈沖的關斷過程詳細展開會得到如圖4的波形，從中計算得出td(off)，tf和Eoff等數據。

td（off）: 90% Vgate至90% Ic。

tf : 90% Ic下降至10% Ic。

Eoff : 90% Vgate至2% Ic的損耗。

要測得Eoff值，一般需要用到示波器的函數運算功能，如圖5所示，首先通過數學運算將被測器件電流與電壓相乘，得到一條新的曲線，被測器件損耗功率。該曲線在未開始關斷時，可以看到有一個較小的數值，這是器件的導通損耗。在關斷的過程中被測器件損耗功率迅速上升，這是由于器件柵極信號下降至彌勒平臺區(qū)域，器件開始關斷，其CE電壓迅速上升，由于負載為感性負載，電流的變化存在一定的相位延遲并沒有立刻發(fā)生變化。等到器件的電壓上升至接近峰值的時候，此時電感上的電壓數值較高，電流開始減小，此時的被測器件損耗功率也達到了峰值。最后器件電流下降至完全關斷，損耗徹底消失。從90%的柵極信號至2%的器件電流這段時間之內，將被測器件損耗功率通過示波器積分運算所得出的數值，就是Eoff。

圖4 第一個脈沖的理想關斷過程

圖5 Eoff的計算方式

通過同樣的方式，我們也可以在第二個脈沖開啟過程中計算得出td(on)，tr和Eon等數據。

td（on）: 10% Vgate至10% Ic。

tr : 10% Ic上升至90% Ic。

Eon : 10% Vgate至2% Vce的損耗。

通過同樣的方式，我們也可以在第二個脈沖開啟過程中計算得出td(on)、tr和Eon等數據，如圖7所示。10%的柵極信號至10%的被測器件電流所用時間定義為td（on），10%至90%的被測器件電流所用時間定義為tr。從10%的柵極信號至2%的器件電壓這段時間之內，將被測器件損耗功率通過示波器積分運算所得出的數值，就是Eon。

圖7 Eon的計算方式

在第二個脈沖的開啟過程中，二極管從正向導通轉變?yōu)榉聪蚰蛪籂顟B(tài)，此時就能測得所有關于二極管的電學特性。

Qrr，即二極管反向恢復電荷，二極管從正向導通轉變?yōu)榉聪蚰蛪旱倪^程中，需要排出結中的載流子，此時會形成一個反向的電流尖峰，使用示波器的積分功能計算這段電流尖峰，就能準確算出Qrr。

Irrm，二極管的反向尖峰最大值，測量反向恢復期間尖峰的最高值即可獲得。

Trr，反向恢復時間，通常為反向恢復電流上升區(qū)間的10%至下降區(qū)間的10%Irrm。

圖8 二極管開關特性

圖9 規(guī)格書中常見的二極管特性

以上所談到的波形都是基于理論的數值計算，其實際測試波形如圖10和圖11，分別是開通和關斷波形。其中1通道黃色的是門極信號，2通道藍色的是被測器件VGE的信號，3通道綠色的是被測器件的Ic。數學運算1是電壓和電流信號的乘積，也就是損耗值。測試過程中開關瞬間還會遇到各種震蕩等現象，部分可能是源于器件本身特性的問題，另一部分則源于雙脈沖測試平臺架構的寄生參數。在震蕩過大以至于影響電流電壓判斷的環(huán)境中，則建議適當降低開關速度以獲得較為準確的測試值。

圖10 開通波形

圖11 關斷波形