大家好，前段時間在知乎上看到有個網(wǎng)友問：“在大功率變頻器應(yīng)用中，我們常用雙脈沖測試評估器件的動態(tài)特征，在實(shí)際中有可比性嗎？”感覺這個問題提的比較好，也是作者想和大家討論的一個話題，那我們這期就來聊聊雙脈沖測試是否能夠反映器件在真實(shí)換流中的各種電應(yīng)力。

圖1.雙脈沖測試電路原理

通常情況下，為了測試器件的動態(tài)特性，我們都會搭建一個通用的雙脈沖測試平臺。測試平臺的功率回路部分包含了疊層母排、母線電容、待測功率器件和驅(qū)動電路。雙脈沖測試電路的原理為半橋電路，如圖1所示。由于這個電路比較簡單，因此設(shè)計(jì)的母排雜散電感可以控制在幾十個nH。

在通用的測試平臺上進(jìn)行雙脈沖測試的主要目的為：

1、測量IGBT的各項(xiàng)動態(tài)參數(shù)（tdon、Eon、tr、tdoff、tf、Eoff等）；

2、測試功率器件不同溫度下的特性；

3、測試器件的短路特性以及短路關(guān)斷特性；

4、對比同一品牌不同型號或者同一型號不同品牌的IGBT的性能；

5、獲取IGBT開關(guān)參數(shù)，用以評估門極驅(qū)動及保護(hù)電路是否合適；

然而實(shí)際我們設(shè)計(jì)的電力電子裝置，會綜合考慮各種因素，功率模組的結(jié)構(gòu)也會千差萬別。同時由于器件的開關(guān)特性與驅(qū)動電路、母排結(jié)構(gòu)相互耦合，在通用平臺上的測試結(jié)果并不適應(yīng)于用真實(shí)的功率模組。因此在設(shè)計(jì)出功率模組后，我們還要進(jìn)行雙脈沖測試。當(dāng)然如果你的通用測試平臺換流回路的雜散電感和真實(shí)逆變器功率模組換流回路的雜散電感一樣的話，就沒必要再重新測試了。

在實(shí)際應(yīng)用的功率模組上進(jìn)行雙脈沖測試主要目的為：

1、測試IGBT的關(guān)斷過電壓，評估實(shí)際應(yīng)用是否需要加吸收電路；

2、測試二極管的反向恢復(fù)特性和安全裕量；

3、測量母排的雜散電感，評估是否可進(jìn)一步優(yōu)化；

4、測量器件真實(shí)的開關(guān)損耗，用以評估功率模組的的散熱性能；

5、測量器件串并聯(lián)應(yīng)用時的均壓、均流特性；

看到這里大家應(yīng)該明白了，在進(jìn)行雙脈沖測試時我們可以基于兩種硬件測試平臺。一般情況下，功率半導(dǎo)體器件原廠或器件驅(qū)動廠商更傾向于搭建通用型的雙脈沖測試平臺，測試重點(diǎn)在于器件或驅(qū)動的動態(tài)參數(shù)。而器件應(yīng)用廠家更傾向于在真實(shí)的變流裝置上進(jìn)行雙脈沖測試，測試重點(diǎn)在于器件的電流、電壓應(yīng)力是否在安全范圍之內(nèi)。

回到主題，雙脈沖測試能反映IGBT實(shí)際運(yùn)行過程中電應(yīng)力嗎？或者說，通過雙脈沖測試評估器件的動態(tài)特征，在實(shí)際中有可比性嗎？

答案是肯定的，前提條件是：雙脈沖測試一定要基于實(shí)際應(yīng)用的逆變器功率模組。

主要有兩點(diǎn)原因：

1、當(dāng)一個逆變器功率模組設(shè)計(jì)完成后，母排的寄生參數(shù)就固定不變了，因此每個功率器件換流回路的雜散電感也就固定了，它不依賴于負(fù)載的大小和接線方式。

以三相兩電平電壓型逆變器為例，如圖2所示，當(dāng)逆變器模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，每個IGBT換流回路的雜散電感就固定不變了（可能會有所差異）。例如：S1和S2換流回路CCLA的雜散電感Lσa=Lσ1，S3和S4換流回路CCLB的雜散電感Lσb=Lσ2，S5和S6換流回路CCLC的雜散電感Lσc=Lσ3，三個換流回路的雜散電感互不影響。

圖2 三相逆變器1

可能有些小伙伴會問，如果a b c三相橋臂換流回路在物理上有重疊的部分會不會有影響呢？就像圖3所示，S1和S2換流回路雜散電感Lσa=Lσ1，S3和S4換流回路的雜散電感Lσb=Lσ1+Lσ2，S5和S6換流回路的雜散電感Lσc=Lσ1+Lσ2+Lσ3。

圖3 三相逆變器2

對于這種換流回路雖然物理上有重疊部分，但是依然沒有影響，最多就是C和B兩相功率器件的換流雜散電感要大一些，至于為什么看第二條。

2、對于逆變器大部分調(diào)制策略，每次切換開關(guān)狀態(tài)時，只會切換一個功率開關(guān)器件，也就是某一時刻只會存在一種換流暫態(tài)過程。這就能保證一個器件開關(guān)暫態(tài)過程不會受其它器件的影響。

在這里希望大家建立幾個時間概念：

①器件的換流暫態(tài)時間為百ns級別，取決于驅(qū)動、器件特性和母排寄生參數(shù)；

②器件的穩(wěn)態(tài)工作（導(dǎo)通或阻斷）時間為百us或ms級別，取決于開關(guān)頻率；

③死區(qū)時間是為了保證同一橋臂一個器件完全關(guān)斷后（換流結(jié)束后），再開另一個器件，因此時間要大于換流暫態(tài)時間，一般為幾個us；

逆變器的開關(guān)函數(shù)模型時都是在器件穩(wěn)定狀態(tài)下建立的。根據(jù)被控對象和開關(guān)函數(shù)模型我們就可以控制IGBT的開通和關(guān)斷了。簡單的理解是每個IGBT什么時候開（關(guān)），開（關(guān)）多長時間是由控制器決定的。

在分析逆變器的開關(guān)狀態(tài)時，我們一般會針對每一相橋臂定義二值邏輯開關(guān)函數(shù)[1]：

也就是說在逆變器工作時，每個橋臂只有2種開關(guān)狀態(tài)（上開下關(guān)或上關(guān)下開），其它狀態(tài)是不允許出現(xiàn)的，因?yàn)閮蓚€同時開會短路炸雞，兩個同時關(guān)就停機(jī)了。

而對于一個三相兩電平逆變器而言，一共有8種開關(guān)狀態(tài)：000，001，010，011，100，101，110，111。逆變器的正常工作狀態(tài)就是在這8種狀態(tài)中來回切換，只是每次只會切換一個開關(guān)器件。

綜合以上兩點(diǎn)原因，既然換流回路的雜散電感都已經(jīng)固定不變了，而且逆變器運(yùn)行時器件的換流暫態(tài)過程又互不影響，所以雙脈沖測試的結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果是一樣的。

而對于一個三相兩電平逆變器來說，從系統(tǒng)角度看有8種開關(guān)狀態(tài)：000，001，010，011，100，101，110，111?？刂破鞯墓ぷ骶褪窃谶@8種狀態(tài)中按照一定的規(guī)則進(jìn)行切換。通過對不同狀態(tài)的組合、排序，逆變器就會輸出一個你想要的優(yōu)美的波形了。

雖然只有8種開關(guān)狀態(tài)，但是根據(jù)電流方向來劃分的話，電流的回路就有很多種了。如果定義電流從橋臂流向負(fù)載為正，從負(fù)載流向橋臂為負(fù)，那一共有8種組合：（ia>0, ib>0, ic>0）、（ia>0, ib>0, ic<0）、（ia>0, ib<0, ic>0）、（ia>0, ib<0, ic<0）、（ia<0, ib>0, ic>0）、（ia<0, ib>0, ic<0）、（ia<0, ib<0, ic>0）和（ia<0, ib<0, ic<0）。

其中有兩種組合實(shí)際是不存在的（ia>0, ib>0, ic>0）和（ia<0, ib<0, ic<0），共模電流除外，也就是說正常情況下一共存在48種有效電流回路，電流的方向也是在這48種回路中來回切換。

為了讓大家有個更直觀的理解，我們以電流的方向（ia>0, ib>0, ic<0）為例，畫出8種開關(guān)狀態(tài)下的電流回路，如圖4所示：

圖4三相逆變器8中電流回路

有些小伙伴看到以上電流回路可能感到很奇怪，有的電流是向母線電容充電的，如（001，011，101，100），有些回路電流沒有經(jīng)過電容如（000，111）。需要強(qiáng)調(diào)的是不要單獨(dú)將一張圖拿出來看，要考慮上一次回路的開關(guān)狀態(tài)。另外，上圖只是從電路角度畫出了可能會出現(xiàn)的電流方向，并沒有考慮實(shí)際的控制方式或負(fù)載是什么，有些可能會工作在回饋或整流模式（負(fù)載為電機(jī)或電網(wǎng)）。

以上是從系統(tǒng)角度將逆變器的開關(guān)狀態(tài)分為了8種，我們繼續(xù)往下分解，當(dāng)分解到任意一相橋臂時，只有2種開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)電流的方向可以分為4種工作狀態(tài)：

圖5 單相橋臂工作狀態(tài)

再繼續(xù)分解，每個器件有2種開關(guān)狀態(tài)：要么開，要么關(guān)。根據(jù)電流的方向也可以劃分為4種狀態(tài)。

圖6單個器件工作狀態(tài)

分解后大家應(yīng)該就明白了，無論系統(tǒng)層面如何控制IGBT，反映到橋臂后也就四種工作狀態(tài)，進(jìn)一步對應(yīng)到每個器件也有四種狀態(tài)。逆變器在實(shí)際運(yùn)行時，IGBT的所有動作都是這4種狀態(tài)的重復(fù)過程，只不過是每次的電流可能會有所不同。

對于每相橋臂四種狀態(tài)切換的換流過程，有些器件會有電應(yīng)力，有些會沒有，更詳細(xì)地大家可以參考我的另一篇文章：

IGBT應(yīng)用中的自然換流和強(qiáng)迫換流是什么？

以上這些換流暫態(tài)過程完全是可以通過雙脈沖測試模擬的，而且電流的大小可以通過脈沖寬度調(diào)節(jié)。所以說雙脈沖測試完全可以反映真實(shí)換流過程中的各種電應(yīng)力。

這時候你可能會問，既然雙脈沖測試可以反映IGBT所有換流狀態(tài)下的電應(yīng)力，那雙脈沖測試安全了，器件就一定能夠可靠的工作嗎？

答案是否定的，雙脈沖只能保證器件的開關(guān)過程是安全的，而系統(tǒng)跑起來后還要評估IGBT的散熱情況，同時系統(tǒng)是否可靠運(yùn)行還依賴于控制算法是否穩(wěn)定，系統(tǒng)是否存在電磁干擾，EMI是否滿足標(biāo)準(zhǔn)等一些列問題，因此整機(jī)的功率循環(huán)測試時還是必須的。

最后，總結(jié)一下：

1、雙脈沖測試能夠反映逆變器真實(shí)運(yùn)行過程中的電壓、電流應(yīng)力。
2、在設(shè)計(jì)完一個新的逆變器結(jié)構(gòu)后，一定要進(jìn)行雙脈沖測試。
3、雙脈沖測試完后，整機(jī)的功率循環(huán)測試還是有必要做的。

審核編輯 ：李倩