双脉冲测试基础系列:为什么我测的损耗和规格书不一样?

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编者按

双脉冲是分析功率开关器件动态特性的基础实验方法,贯穿器件的研发,应用和驱动保护电路的设计。合理采用双脉冲测试平台,你可以在系统设计中从容的调试驱动电路,优化动态过程,验证短路保护。


双脉冲测试基础系列文章,包括基本原理和应用,对电压电流探头要求和影响测试结果的因素等。


现在越来越多的工程师也会在设计之初进行双脉冲实验来测量开关损耗,但是往往发现即使是使用了相同门极电阻、门极电压和母线电压,在结温一致、电流一致的条件下 ,偏偏就是测不出原厂规格书中的数值。究竟是哪里出了问题?怎么样才能测出和规格书相似的值呢?


我们以开通过程为例来看一下,如图1所示。除了给出常规的VCE、VGE和IC以外,还有一条门极充电电流曲线(蓝色)。根据之前说的损耗标准定义,在两条虚线时间区间里的电压电流会产生开通损耗。从图中不难看出这个过程中门极电流经历了两段过程,一个是门极电流减小的过程,另一个则是一段米勒电平的恒流区。


图1


由于开通过程实际上是门极电荷的充电过程,当被测器件和母线电压一定时,门极到达每一步电压所需要充入的电荷量就定了,所以要想开得快,就需要更大的充电电流。门极电阻会限制初始电流峰值,进而影响整个开通的过程。除此之外,门极回路的结构(比如是否使用图腾柱)、寄生电阻及杂散电感都会影响开通损耗。其中:


在门极电流减小的过程中,门极回路的寄生电感会阻碍电流减小,从而减小开通损耗。因此门极引线越长,测得的开通损耗可能就会越大


以FF1000R17IE4为例,评估门极引线长度对开通损耗的影响。可以看到,门极线缆从10cm增加到100cm,开通损耗从196mJ降低到87mJ,降低了一半还多。


短线缆

 长线缆



在米勒平台恒流时,门极回路上的所有电阻之和(如图2)会直接影响电流大小。包括驱动器内阻、功率器件外接电阻以及内置门极电阻。除此之外,甚至是门极用来分流开通和关断的二极管都会影响开关损耗的。


图2


看起来有些复杂的样子,但好在规格书给出的测试条件里有dv/dt和di/dt值,如图3红框所示。同一颗器件当测试得到的这两个值和规格书里一样的话,一般来说损耗就一样了。可以给使用的人一个参考。


图3


此外还有一个影响测量结果的是电压探头和电流探头的时间同步校准,这个步骤在每次搭好实验平台后先做,具体的方法可以参考本公众号里关于电流探头使用的文章(测量IGBT开关特性对电流探头的要求)。


在实际应用,由于母排设计和拓扑结构的不同,系统杂散电感也会不一样。一般系统杂散电感增大,会使开通损耗变小,而关断损耗变大,关断过压尖峰变大。


系统杂散电感也可以通过双脉冲方法进行测量。功率器件在关断时刻的VCE电压尖峰,以及在开通时刻的VCE电压跌落,都可以用来计算杂散电感,如图4所示。我们比较推荐选择器件开通时刻进行测量,这是因为有的驱动板集成了有源关断功能,会抑制关断时的过压尖峰;另外续流的二极管开通时产生的电压也会叠加在这个电压尖峰上,这样我们就无法得到真实的电压值。我们的目标是减小这个杂散电感值,这样波形更干净,甚至可以适当调小门极电阻。


图4


事实上,我们也不必执着于非跟规格书的结果一样,只要是设计选配是合适的就行。而且现在低杂感的电容产品和母排技术都非常成熟,即使测出开关损耗小于规格书也不足为奇。双脉冲测量就能提供一个简便的方法来验证参数选配合理与否。


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