芯耀
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之前我們有提到過 IGBT 的短路及其保護，以及門極驅(qū)動電路的設(shè)計，為了使 IGBT 能夠在滿足產(chǎn)品設(shè)計的要求時發(fā)揮其最大的性能，往往需要經(jīng)過反反復復的測試，才能確定較優(yōu)的參數(shù)和性能。今天我們就來聊聊 IGBT 短路測試中經(jīng)常出現(xiàn)，但可能不太被重點分析的一種現(xiàn)象——短路振蕩。
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在我們設(shè)計產(chǎn)品進行 IGBT 選型的時候，我們在關(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。而這時的關(guān)注也僅僅是“人群中多看你一眼”的節(jié)奏，有沒有后續(xù)還得看實際測試，這也是眾多規(guī)格書中基本存在的一句話“僅作參考”。所以，切實有效的測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，只有切實地驗證之后才能較為放心大膽的使用。那么，問題來了，短路測試的時候，有些只會進行簡單的功能驗證，能夠跳保護就 OK；有些會稍微看下 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，能保護住也是 OK 的，除非發(fā)生問題才會多一點關(guān)注，這種情況在進行廠家替代時尤為明顯。
今天我們就來聊聊短路測試時，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，器件廠家會針對其 IGBT 進行短路耐量的驗證，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)計有關(guān)。但是一般器件廠商的測試僅僅是針對器件，而不同的應(yīng)用場景，不同的外部電路等等因素會導致短路過程中出現(xiàn)異常的振蕩。
短路測試可以參考下文：
IGBT 的短路測試(Short-circuit Test)
相對來說，上面的這個短路測試偏向于器件，一般中小功率產(chǎn)品中會進行相間短路來進行短路測試，當然不僅限于這種方式，此時短路下 IGBT 的表現(xiàn)會有不一樣，這與驅(qū)動電路參數(shù)，外部電路布局等等有關(guān)，特別是板級中小功率的情況。
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、應(yīng)用》中針對短路振蕩的描述：
它這里主要還是針對模塊的(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)階段測試其振蕩特性，并采取針對措施，包括以下幾點：
??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入模塊的應(yīng)用。
上面指的是 IGBT 制造商，那么針對客戶端而言，如何改善振蕩呢？以上三點中只有第一點我們還能實踐，改變柵極驅(qū)動電阻來進行調(diào)整。模塊的使用可能會場景會好一點，最近發(fā)現(xiàn)使用 IGBT 單管的小功率產(chǎn)品中，短路振蕩會比較頻繁一點，并且往往會不太在意，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，高頻振蕩的同時其振蕩幅值也很高，雖然在短時間測試中無法出現(xiàn)故障，但是長時間運行中可能便會發(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)的測試也不會太過詳細，特別有的短路測試僅僅只看下能否有效的短路保護。可是，完美的跳短路保護背后，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險，雖然實際應(yīng)用中短路發(fā)生的頻率和次數(shù)不會很大，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行改善呢？
下面是驅(qū)動電路的幾個主要部分：
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針對功率半導體器件本身，應(yīng)用端是無法改變什么的，只能從其外部配套來改善，其實主要是驅(qū)動參數(shù)的優(yōu)化。
Review | IGBT 柵極驅(qū)動
開始的驅(qū)動電路設(shè)計是針對開通、關(guān)斷、損耗等來進行設(shè)計優(yōu)化的，很少會將短路振蕩考慮進去。以下幾點改善短路振蕩的方法主要基于驅(qū)動電路：
??調(diào)整驅(qū)動電阻 Rg
前面我們也聊過驅(qū)動電阻 Rg 對于 IGBT 工作的影響，增大或減小驅(qū)動電阻可以能夠改善振蕩；
驅(qū)動電路中增加并聯(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，對于 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 的實際輸入電容，但是這種增加往往會增加影響短路時的 IGBT 實際表現(xiàn)。短路測試出現(xiàn)振蕩時，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，這方面對于柵極并聯(lián)電容的選擇及短路時的振蕩可能會存在一定的影響）。
③優(yōu)化柵極電壓鉗位器件選型
一般我們會選擇 TVS 管來進行 IGBT 柵極電壓的選型，但是不同的 TVS 響應(yīng)時間也會不同，可以選擇較快的 TVS 來進行鉗位，增加鉗位可靠性的同時，對于減輕短路振蕩也會有一定的效果。
雜散電感的影響是帶來振蕩的一方面，所以盡量優(yōu)化布局減小雜散電感能夠有效的改善短路振蕩。當然，對于上面三種方法，這種方法算是周期較長的，所以前期畫板是盡量考慮周全。
對于振蕩，一般我們會瞬間聯(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，實驗證實可以較明顯地減輕 IGBT 的短路振蕩。如果你在實際測試中遇到過類似的高頻短路振蕩，不妨嘗試下上述的方法，希望對您有所幫助。(針對 IGBT 模塊的應(yīng)用，現(xiàn)實中還未碰到過，所以以上僅作為中小功率應(yīng)用的建議)
