1關于IGBT

IGBT（絕緣柵雙極晶體管）是功率半導體的一種，它可以被簡化的看作為一個能夠快速切換的開關，可以被用來通過低壓脈沖來控制高壓信號的通斷。IGBT具有三個電極：柵極、集電極、發射極。低壓脈沖被施加在柵極和發射極之間，受控的高電壓被施加在集電極和發射極之間，如圖1所示。

IGBT是BJT（雙極結型晶體管）和MOSFET（場效應晶體管）通過達林頓結構實現的復合晶體管，所以它兼具了兩種晶體管的優點：電壓控制、低驅動功率、低飽和電壓、高耐壓等。IGBT電路示意圖如圖2所示。

2 IGBT的應用

IGBT在電力傳輸、新能源汽車、通信、計算機、消費電子、航空航天、清潔能源等各個行業有著極為廣泛的應用。圖3所示為IGBT器件的一些典型應用。

圖3 IGBT的典型應用

下圖4所示為一個典型的常用于驅動電機的電源轉換電路的簡化原理圖。三相交流電壓輸入經脈沖整流器整流為穩定的直流電壓，然后進入直流-交流的逆變電路，最后輸出為由控制邏輯和系統模塊控制的三相脈沖調制信號。該電源轉換電路中使用了六個IGBT器件，以產生具有所期望的速度、功率、效率等的適當信號。

圖4典型的AC-DC-AC電源轉換電路

3 IGBT的動態特性驗證

隨著市場需求量的增加，更多的企業開始研發和生產IGBT器件，與傳統成熟的IGBT廠商相比，這些企業在初始階段會面臨更多的挑戰，所生產的IGBT產品的合格率會相對較低。為了應對挑戰和提升合格率，需要在研發和生產階段對IGBT器件進行嚴格且全面的測試驗證，包括傳統的靜態特性測試以及動態特性測試。

此外，IGBT器件被廣泛用于新能源汽車中，汽車對安全性和可靠性的嚴格要求也對IGBT器件的可靠性提出了更為嚴格的要求。車規級IGBT器件的生產商需要針對其所生產的IGBT器件進行更為嚴格更為全面的測試驗證，包括器件的動態性能，確保其合格可靠。

而且，IGBT器件的動態特性會對所設計的電路性能帶來影響，因此精確測量IGBT器件動態特性已成為IGBT器件一致性測試驗證項目中的重要部分。

雙脈沖測試是測量IGBT動態性能的行業通用方法。如下圖5所示，雙脈沖施加在柵極和發射極之間，以控制被測IGBT器件的開通和關斷。圖中所示的PicoScope示波器型號是PicoScope 6824E，8通道示波器，其具有內置的FG/AWG和靈活可調的分辨率（8位至12位）。用戶可以通過加載編輯好的波形數據文件，在PicoScope示波器中使用AWG生成雙脈沖信號，可通過一個外部放大器來提高脈沖的幅度，也可以直接使用一個額外的外部信號源來產生一個雙脈沖。兩個高壓差分探頭和一個電流探頭被用來采集Vge雙脈沖波形，Vce電壓信號以及Ic電流信號。

圖5雙脈沖測試IGBT器件連接示意圖

IGBT的動態特性參數主要是與開通和關斷以及反向恢復相關的特性參數。下面列出的一些典型參數和示意圖來自IEC 60747-9-2019。

開通時間(td(on),tr,ton)和開通能量(Eon):

圖6 IGBT開通特性參數

關斷時間(td(off),tf,toff,tz) and關斷能量(Eoff):

圖7 IGBT的關斷特性參數

反向恢復峰值電流(Irrm),反向恢復時間(trr),反向恢復能量(Err)以及反向恢復電荷(Qrr)：

圖8反向恢復特性參數

4 IGBT動態特性參數測試挑戰

對于生產和研發用于產線測試的IGBT自動化測試設備來說，可靠性是要考慮的第一重要因素，因為這些設備通常需要長時間日夜不停的連續工作。因此，需要為測試設備找到一款可靠性高、能夠長時間運行的數據采集部件。

IGBT測試電路中的雜散電感引起的Vce電壓尖峰和二極管反向恢復引起的Ic電流尖峰是脈沖寬度較窄的高頻脈沖，如下圖9所示。要精確測試這樣的高頻脈沖，需要數據采集部件具有高帶寬、高ADC分辨率以及高采樣率。

在激烈的市場競爭中，除了高可靠性和精確性要求之外，成本效益、緊湊的尺寸和快速的測量速度也變得日益重要。

對于數據采集部件來說，滿足上述所有需求會是一個較大的挑戰。

PicoScope示波器能夠很好的滿足這些需求，已被廣泛的用于IGBT等功率半導體器件研發和生產測試中。

圖9 IGBT波形中因雜散電感帶來的電壓尖峰和反向二極管恢復電流尖峰

下圖10所示為使用PicoScope 5444D測試的雙脈沖、Vce、Ic、Ig的IGBT實際波形。

圖10使用PicoScope 5444D測得的IGBT波形

6如何使用PicoScope示波器測試IGBT器件

在研發階段對IGBT器件的調試與分析，可以使用PicoScope示波器配合Pico的最新一代示波器應用軟件PicoScope 7。PicoScope 7是適用于所有實時PicoScope示波器的下一代用戶界面。它擁有用戶快速獲得答案所需的所有分析工具，無論是執行簡單測試還是調試復雜設計。它適用于Windows、Mac和Linux。無論手頭是否有一臺PicoScope示波器，用戶都可以免費下載和離線運行軟件并分析離線數據。它標配有40個解碼選件、40個測量（包括功率相關參數）、67個數學函數（包括許多高級函數，例如FFT，參數追蹤等），以及內置多種儀器功能，例如任意波形發生器、函數發生器、協議分析儀、頻譜分析儀、邏輯分析儀。

圖11支持所有實時PicoScope示波器的新一代PicoScope 7軟件

功率半導體行業的很多用戶不僅在研發階段使用PicoScope示波器進行調試與分析，也將PicoScope示波器作為數據采集部件集成到IGBT的自動化測試設備中用于產線測試。用戶通過PicoSDK（軟件開發包）與PicoScope進行交互并通過編程將其集成到自定義的應用程序中。IGBT自動化測試設備中除了數據采集部件外，通常還需要工控機、高壓電源、驅動板以及相關配件。用戶一般會使用C#、Python、LabVIEW等編程語言開發自己的應用軟件。圖12所示為集成了PicoScope的用于IGBT驗證的自動化測試設備。

圖12 IGBT自動化測試設備

7為什么選擇PicoScopes?

圖13被廣泛用在IGBT自動化測試設備中的PicoScope示波器型號

功率半導體企業以及功率半導體自動化測試設備研發和生產制造商會根據不同的測試需求選擇不同的PicoScope示波器型號，當前常用的型號包括：PicoScope 5444D、PicoScope 6404E、PicoScope 6824E、PicoScope 6426E。當然，所有其它PicoScope型號也都被用戶廣泛的選擇用于各種不同行業的系統集成和OEM應用，因為PicoScope示波器具備眾多適合于系統集成和OEM的優點。下面列出的一些是用戶喜歡在系統集成項目和OEM應用中使用PicoScope示波器的一些原因：

1）高可靠性

Pico Technology成立于1991年，專注于基于PC的測試儀器和數據采集設備的研發和制造。數十年的產品迭代和嚴格的質量控制，使得PicoScope示波器擁有高可靠性。

2）高性價比

與傳統臺式儀器不同，PicoScope示波器沒有內置PC，故結構簡單，從而可擁有更多獨特的硬件優勢，包括高帶寬、高采樣率、深存儲、高ADC分辨率、靈活可調ADC分辨率、多個模擬和數字輸入通道、高速數據傳輸等。基于外部PC的強大性能，PicoScope示波器可擁有更豐富的軟件功能和更強大的數據分析處理能力，如可提供40多個串行解碼器、高級數學函數（FFT、濾波函數、測量參數追蹤圖等）。此外，PicoScope示波器擁有數十種型號，用戶更容易選擇到一款經濟實惠且與其應用相匹配的產品。

3）高ADC分辨率和靈活可調ADC分辨率

PicoScope示波器提供從8位到16位的各種垂直分辨率選項。分辨率越高，垂直精度和動態范圍就越大，波形顯示就越清晰，測量結果會更精確。PicoScope示波器的ADC分辨率靈活可調，這個獨特特點得益于Pico突破性的ADC管理技術，該技術允許用戶在一個設備中通過協調多個ADC的工作從而實現從8位到16位的靈活切換。

4）強大的軟件開發包PicoSDK

PicoScope示波器提供了很多傳統臺式示波器通常不具備的互聯和定制功能。SDK（軟件開發工具包）允許用戶為特定項目創建自定義應用程序。這使得PicoScope示波器不僅僅是一臺通用的示波器。在SDK下運行的PicoScope示波器擁有更加出色的性能，比如它可以以高達312 MS/s的速度連續采集數據并將其傳輸到PC，可實現最高200萬段的分段存儲，可以設置高級觸發功能，可以編程控制示波器內置的任意波形發生器或函數發生器輸出波形等。基于SDK編程控制PicoScope示波器簡單容易，您可以在github.com/picotech上找到大量的基于各種編程語言的示例代碼，而且我們也有專門的支持團隊為用戶自定義開發提供技術支持。

所有Pico產品（包括PicoScope示波器）均附帶免費的SDK。SDK包含適用于Windows、macOS、Linux和Raspberry Pi (ARM7)的驅動程序。它允許用戶使用諸如C、C#、C++、Python、MATLAB、LabVIEW和Microsoft Excel等通用的編程語言編寫自己的應用程序來控制儀器。

5）緊湊輕便

與往往比較笨重的傳統臺式示波器不同，PicoScope示波器緊湊、輕便且便于攜帶。與筆記本電腦配合使用時，PicoScope示波器可讓您將整套電子工具與電腦一起裝入一個包中。小巧的尺寸也使PicoScope示波器更易于集成到系統中，而幾乎不會增加重量或體積。