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之前我們有提到過 IGBT 的短路及其保護(hù)，以及門極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，為了使 IGBT 能夠在滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求時(shí)發(fā)揮其最大的性能，往往需要經(jīng)過反反復(fù)復(fù)的測(cè)試，才能確定較優(yōu)的參數(shù)和性能。今天我們就來聊聊 IGBT 短路測(cè)試中經(jīng)常出現(xiàn)，但可能不太被重點(diǎn)分析的一種現(xiàn)象——短路振蕩。
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在我們?cè)O(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行 IGBT 選型的時(shí)候，我們?cè)陉P(guān)注電流、電壓、損耗等等性能參數(shù)中，短路耐量一直是備受關(guān)注的一點(diǎn)。而這時(shí)的關(guān)注也僅僅是“人群中多看你一眼”的節(jié)奏，有沒有后續(xù)還得看實(shí)際測(cè)試，這也是眾多規(guī)格書中基本存在的一句話“僅作參考”。所以，切實(shí)有效的測(cè)試才是下決定前最重要的一環(huán)，不同的工況有著不一樣的需求，只有切實(shí)地驗(yàn)證之后才能較為放心大膽的使用。那么，問題來了，短路測(cè)試的時(shí)候，有些只會(huì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的功能驗(yàn)證，能夠跳保護(hù)就 OK；有些會(huì)稍微看下 G-E、C-E 之間的波形，但是僅僅是關(guān)注下，沒什么突發(fā)狀況，能保護(hù)住也是 OK 的，除非發(fā)生問題才會(huì)多一點(diǎn)關(guān)注，這種情況在進(jìn)行廠家替代時(shí)尤為明顯。
今天我們就來聊聊短路測(cè)試時(shí)，門極和集射極，甚至短路電流出現(xiàn)振蕩的那些事兒~
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短路振蕩
一般情況下，器件廠家會(huì)針對(duì)其 IGBT 進(jìn)行短路耐量的驗(yàn)證，需要 IGBT 自身擁有足夠的抗短路浪涌電流的能力，這與其本身的芯片設(shè)計(jì)有關(guān)。但是一般器件廠商的測(cè)試僅僅是針對(duì)器件，而不同的應(yīng)用場(chǎng)景，不同的外部電路等等因素會(huì)導(dǎo)致短路過程中出現(xiàn)異常的振蕩。
短路測(cè)試可以參考下文：
IGBT 的短路測(cè)試(Short-circuit Test)
相對(duì)來說，上面的這個(gè)短路測(cè)試偏向于器件，一般中小功率產(chǎn)品中會(huì)進(jìn)行相間短路來進(jìn)行短路測(cè)試，當(dāng)然不僅限于這種方式，此時(shí)短路下 IGBT 的表現(xiàn)會(huì)有不一樣，這與驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)，外部電路布局等等有關(guān)，特別是板級(jí)中小功率的情況。
首先，我們先來看下行業(yè)大佬 Infineon 那本《IGBT 模塊：技術(shù)、驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用》中針對(duì)短路振蕩的描述：
它這里主要還是針對(duì)模塊的(芯片和模塊布局等都經(jīng)過優(yōu)化權(quán)衡的)，它指出影響振蕩產(chǎn)生的時(shí)間和程度的主要因素包括模塊結(jié)構(gòu)、IGBT 特性和應(yīng)用環(huán)境。它提到，IGBT 和 IGBT 模塊的廠家在研發(fā)階段測(cè)試其振蕩特性，并采取針對(duì)措施，包括以下幾點(diǎn)：
??如果可行，調(diào)整內(nèi)部柵極電阻；
??調(diào)整柵 - 射極閾值電壓 Uge(th)，提升門檻電壓會(huì)抑制振蕩；
??優(yōu)化內(nèi)部模塊布局可以減小 IGBT 模塊內(nèi)反饋回路或者防止這些反饋進(jìn)入模塊的應(yīng)用。
上面指的是 IGBT 制造商，那么針對(duì)客戶端而言，如何改善振蕩呢？以上三點(diǎn)中只有第一點(diǎn)我們還能實(shí)踐，改變柵極驅(qū)動(dòng)電阻來進(jìn)行調(diào)整。模塊的使用可能會(huì)場(chǎng)景會(huì)好一點(diǎn)，最近發(fā)現(xiàn)使用 IGBT 單管的小功率產(chǎn)品中，短路振蕩會(huì)比較頻繁一點(diǎn)，并且往往會(huì)不太在意，下面我們來欣賞下短路振蕩：
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是不是很好看，振得翻來覆去的，這種振蕩會(huì)吸引你的注意力嗎？這是使用分立式 IGBT 的小功率 Inverter 相間短路時(shí)的波形，振得厲害的是柵極電壓 Vge 和集射極電壓 Vce，高頻振蕩的同時(shí)其振蕩幅值也很高，雖然在短時(shí)間測(cè)試中無法出現(xiàn)故障，但是長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中可能便會(huì)發(fā)生失效。而往往使用分立式 IGBT 器件的 Inverter 都是為了降本，相應(yīng)的測(cè)試也不會(huì)太過詳細(xì)，特別有的短路測(cè)試僅僅只看下能否有效的短路保護(hù)?？墒?，完美的跳短路保護(hù)背后，卻可能隱藏著“觸目驚心”的振蕩，從而隱藏著功率器件失效的風(fēng)險(xiǎn)，雖然實(shí)際應(yīng)用中短路發(fā)生的頻率和次數(shù)不會(huì)很大，但看著上面的波形，你放得下心嗎？
如何改善短路振蕩
那么，我們可以從哪些方面進(jìn)行改善呢？
下面是驅(qū)動(dòng)電路的幾個(gè)主要部分：
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針對(duì)功率半導(dǎo)體器件本身，應(yīng)用端是無法改變什么的，只能從其外部配套來改善，其實(shí)主要是驅(qū)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化。
Review | IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)
開始的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)是針對(duì)開通、關(guān)斷、損耗等來進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的，很少會(huì)將短路振蕩考慮進(jìn)去。以下幾點(diǎn)改善短路振蕩的方法主要基于驅(qū)動(dòng)電路：
??調(diào)整驅(qū)動(dòng)電阻 Rg
前面我們也聊過驅(qū)動(dòng)電阻 Rg 對(duì)于 IGBT 工作的影響，增大或減小驅(qū)動(dòng)電阻可以能夠改善振蕩；
驅(qū)動(dòng)電路中增加并聯(lián)柵極電容 C0 在減小柵極電壓紋波穩(wěn)定柵極電壓的同時(shí)，對(duì)于 IGBT 的開通過程也有一定的作用。但是不同廠家的 IGBT 內(nèi)部寄生輸入電容往往有大有小，所以可以通過外部并聯(lián)柵極電容來改變 IGBT 的實(shí)際輸入電容，但是這種增加往往會(huì)增加影響短路時(shí)的 IGBT 實(shí)際表現(xiàn)。短路測(cè)試出現(xiàn)振蕩時(shí)，可以通過減小或者去除柵極并聯(lián)電容來改善。（PS:為了改善米勒效應(yīng)的影響，很多廠家會(huì)提到將米勒電容做小，輸入電容做大，也就是米勒電容和輸入電容的比值做小，這方面對(duì)于柵極并聯(lián)電容的選擇及短路時(shí)的振蕩可能會(huì)存在一定的影響）。
③優(yōu)化柵極電壓鉗位器件選型
一般我們會(huì)選擇 TVS 管來進(jìn)行 IGBT 柵極電壓的選型，但是不同的 TVS 響應(yīng)時(shí)間也會(huì)不同，可以選擇較快的 TVS 來進(jìn)行鉗位，增加鉗位可靠性的同時(shí)，對(duì)于減輕短路振蕩也會(huì)有一定的效果。
④優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路及逆變電路 PCB 布局
雜散電感的影響是帶來振蕩的一方面，所以盡量?jī)?yōu)化布局減小雜散電感能夠有效的改善短路振蕩。當(dāng)然，對(duì)于上面三種方法，這種方法算是周期較長(zhǎng)的，所以前期畫板是盡量考慮周全。
對(duì)于振蕩，一般我們會(huì)瞬間聯(lián)想到 RLC 振蕩（IFX 描述的好像叫科爾皮茲振蕩器），但是不要以為上述的方法只是我根據(jù)聯(lián)想到的 RLC 因素“YY”出來的，實(shí)驗(yàn)證實(shí)可以較明顯地減輕 IGBT 的短路振蕩。如果你在實(shí)際測(cè)試中遇到過類似的高頻短路振蕩，不妨嘗試下上述的方法，希望對(duì)您有所幫助。(針對(duì) IGBT 模塊的應(yīng)用，現(xiàn)實(shí)中還未碰到過，所以以上僅作為中小功率應(yīng)用的建議)
