图解IGBT模块特性的测量方法

IGBT模块选型时比较关键的特性有栅极-发射级门槛电压Vce(th)、栅极-发射极漏电流Ices、开通时间ton、开通延迟时间td(on)、上升时间tr、关断耗散功率Poff、关断耗散能量Eoff、关断时间toff、关断延迟时间td(off)、下降时间tf、结-壳热阻Rthjc和结-壳瞬态热抗阻Zthjc。测量出这些参数，就能详细的推导出IGBT模块的动态特性和静态特性。下面我们就来介绍IGBT模块特性的测量方法和电路原理。

1.栅极-发射极门槛电压(Vce(th))的测量和电路原理

在规定条件下(环境或管壳温度、集电极-发射极电压、集电极电流)，测量IGBT模块的栅极-发射极门槛电压。

测量电路图如下

测量方法:将IGBT模块插入测量插座,增加栅极发射极电压Vce直到达到规定的集电极电流TC，测量该电流下的栅极-发射极电压。

2. 栅极-发射极漏电流IGES的测量方法和基本电路

在规定条件下(环境或管壳温度、集电极-发射极电压)，测量 栅极-发射极漏电流。测量基本电路图如下：

测量方法:连接集电极电极和发射极的端子。电阻R的值控制在Vce/(100.Icesmax)。跨接在R两端的电压测量仪应具有较高的灵敏度。而且输入电阻大于100R，栅极-发射极漏电流为Ices=V/R，测量可用正的或负的栅极-发射极电压。

将栅极-发射极电压设置在规定值，测量电压V并用Ices=V/R计算栅极-发射极漏电流值。

3.关断耗散功率Poff和关断耗散能量Eoff的测量和基本电路

在规定条件下(环境或管壳温度、集电极-发射极供电电压Vcce、负载电感L、栅极电阻R，输入脉冲形状：幅度、上升时间、宽度、脉冲重复率、积分时间t1),测量IGBT模块的关断耗散功率Poff和关断耗散能量Eoff。测量基本电路如下

在实际布线时，寄生电感应最小。G是具有低内阻的矩形波发生器。发生器输出脉冲的上升时间应小于0.1XR1XCice。Cice是被测IGBT模块的输入电容。R2是测量电流的电阻，这里可以采用其它任何适当的电流探针。

测量方法:输入脉冲幅度VGGM和供电电压VCCE设置在规定值。在示波器屏上显示集电极电流IC和集电极-发射极电压VCE的波形，每个脉冲关断耗散能量是这两个数值之积对时间的积分。任一重复频率的关断耗散功率是该频率和积分测定的每个脉冲关断耗散能量之积。如下图

4.开通时间ton、开通延迟时间td(on)、上升时间tr

在规定环境或管壳温度、集电极峰值电流ICM、栅极电阻R1，输入脉冲形状：幅度、宽度、上升时间、重复频率下，测量电阻负载时IGBT模块的开通时间。测量电路图如下：

在实际布线时，寄生电感应最小。G是具有低内阻的矩形波发生器。发生器输出脉冲的上升时间应小于0.1XR1XCice。Cice是被测IGBT模块的输入电容。R2是测量电流的电阻，这里可以采用其它任何适当的电流探针。

测量方法：将IGBT模块插入测量插座。输入脉冲幅值VGGM和供电电压VCCE设置在规定值，在示波器屏幕上显示栅极电压VGE和集电极电流IC，从屏幕上可以独处时间间隔td()on、tr和ton，见下图：

5. 关断时间toff、关断延迟时间td(off)、下降时间t1

在规定的环境或管壳温度、负载电感L、栅极电阻R1，输入脉冲形状：幅度、宽度、上升时间、重复频率下测量感性负载时IGBT模块的关断时间。具体测量电路见下图

在实际布线时，寄生电感应最小。G是具有低内阻的矩形波发生器。发生器输出脉冲的上升时间应小于0.1XR1XCice。Cice是被测IGBT模块的输入电容。R2是测量电流的电阻，这里可以采用其它任何适当的电流探针。

测量程序:将IGBT模块插入测量插座，输入脉冲幅值VGGM和供电电压Vcce设置在规定值，在示波器屏幕上显示栅极电压VGE和集电极电流IC，从屏幕上可以读出时间间隔td(off)、tf和toff，具体见下图

6.结-壳热阻Rthjc和结-壳瞬态热抗阻Zthjc

在规定条件下测量IGBT模块的结-壳热阻Rthjc和结-壳瞬态热抗阻Zthjc。测量图如下

运算放大器提供栅极-发射极电压，由基准电压源Vref恒定该电压。一个电流源提供娇小的连续直流集电极电流Ic1，该电流正好足浴=以使降低i安吉-发射极电压Vce在饱和值以上，在Ic1的顶端，电子功率开关s提高另一较大的集电极电流Ic2。电流测量电阻R1两端的电压控制经过运算放大器和IGBT栅极(线性运行)的电流值，在切断Ic2之后，IGBT模块将回到Ic1的状态。

测量程序：整个测量过程分两步进行

(1) 在较小的测量电流Ic1下，测量集电极-发射极电压Vce的温度系数CT，将IGBT模块放入烘箱或惰性流体中依次加热至温度T1和T2(T1

下图给出了Vce-Tc的关系示意图

(2)内耗散功率阶跃变化时的测量

将待测IGBT模块固定在适宜的散热器上，测量其管壳温度Tcase1，在该温度测量电流参数的集电极-发射极电压Vce3，接通功率开关S，流过较大集电极电流Ice2,调整外部条件，使得在建立热平衡时，Tcase1=常数=Tcase2，并测得VCE=VCE4。切断Ic2，立即测得集电极-发射极电压Vce5，在该瞬间可以推导出

如果要测定瞬态热阻抗Zthjc，画出在IC2时Vce随时间的变化曲线，用上述公式逐点计算Zthjc的值。

IGBT模块静态特性和动态特性

IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似.也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。

IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。

IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示：：

Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

式中Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为0.7 ～1V ;Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降;Roh ——沟道电阻。

通态电流Ids 可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos ——流过MOSFET 的电流。

由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ～ 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。

动态特性

IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间，tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和，漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。

IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。

IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间

t(off)=td(off)+trv十t(f)

式中：td(off)与trv之和又称为存储时间。

IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。