高幅度任意波形/函數發(fā)生器簡(jiǎn)化汽車(chē)、半導體、科學(xué)和工業(yè)應用中的測量

　　分析IGBT的開(kāi)關(guān)波形

　　近幾年來(lái)，由于高開(kāi)關(guān)速度、高電流功能、大阻塞電壓和簡(jiǎn)單的門(mén)驅動(dòng)特點(diǎn)，同時(shí)由于較低的傳導損耗及較低的狀態(tài)電壓下跌水平，絕緣門(mén)雙極晶體管(IGBT)在工業(yè)應用和汽車(chē)應用中正日益替代MOSFET。

　　IGBT的工業(yè)應用包括牽引、變速馬達驅動(dòng)器、不間斷電源(UPS)、感應加熱、焊接及電信和服務(wù)器系統中的高頻開(kāi)關(guān)式電源。在汽車(chē)行業(yè)中，點(diǎn)火線(xiàn)圈驅動(dòng)電路、馬達控制器和安全相關(guān)系統對IGBT的需求非常龐大。

　　IGBT是雙極晶體管和MOSFET的交叉。在輸出開(kāi)關(guān)和傳導特點(diǎn)方面，IGBT與雙極晶體管類(lèi)似。但是，雙極晶體管是流控式的，IGBT與MOSFET則是壓控式的。為保證完全飽和及限制短路電流，建議門(mén)驅動(dòng)電壓為+15V。

　　與MOSFET一樣，IGBT在門(mén)、發(fā)射器和集電極之間有電容。在門(mén)端子和發(fā)射器端子之間應用電壓時(shí)，會(huì )以指數方式通過(guò)門(mén)電阻器RG對輸入電容充電，直到達到IGBT的特性門(mén)限電壓，確定集電極到發(fā)射器傳導。同樣，輸入門(mén)到發(fā)射器電容必須被放電到某個(gè)高原穩定電壓，然后才能中斷集電極到發(fā)射器傳導，關(guān)閉IGBT。

　　門(mén)電阻器的尺寸對IGBT的起動(dòng)特點(diǎn)和關(guān)閉特點(diǎn)有著(zhù)明顯的影響。門(mén)電阻器越小，IGBT門(mén)到發(fā)射器電容充電和放電的速度越快，因此其開(kāi)關(guān)時(shí)間短，開(kāi)關(guān)損耗小。但是，由于IGBT的門(mén)到發(fā)射器電容和引線(xiàn)的寄生電感，門(mén)電阻器值小也會(huì )導致振蕩。為降低關(guān)閉損耗，改善IGBT對通過(guò)集電極到發(fā)射器電壓變化速率注入的噪聲的免疫力(這種噪聲對電感負荷可能會(huì )具有實(shí)質(zhì)性影響)，建議門(mén)驅動(dòng)電路包括實(shí)質(zhì)性的開(kāi)關(guān)偏置。

　　IGBT的最佳性能隨應用變化，必須相應地設計門(mén)驅動(dòng)電路。在硬開(kāi)關(guān)應用中，如馬達驅動(dòng)器或不間斷電源，必須選擇門(mén)驅動(dòng)參數，以便開(kāi)關(guān)波形不會(huì )超過(guò)IGBT的安全工作區。這可能意味著(zhù)犧牲開(kāi)關(guān)速度，要以開(kāi)關(guān)損耗為代價(jià)。在軟開(kāi)關(guān)應用中，開(kāi)關(guān)波形完全落在安全工作區內，可以把門(mén)驅動(dòng)設計成短開(kāi)關(guān)時(shí)間及較低的開(kāi)關(guān)損耗。

　　圖9. IGBT的開(kāi)關(guān)波形。

　　為優(yōu)化IGBT門(mén)驅動(dòng)設計，設計工程師必須了解設備在實(shí)際負荷條件下的開(kāi)關(guān)特點(diǎn)。為分析這些開(kāi)關(guān)特點(diǎn)，可以使用一系列單個(gè)脈沖激勵I(lǐng)GBT的門(mén)，同時(shí)使用示波器測量門(mén)到發(fā)射器電壓、集電極到發(fā)射器電壓和集電器電流。由于能夠生成高幅度脈沖，AFG3011任意波形/函數發(fā)生器特別適合完成這一任務(wù)。由于IGBT的集電極到發(fā)射器電壓對電感負荷的動(dòng)態(tài)范圍非常高，因此要求使用高壓差分探頭進(jìn)行測量?？梢允褂脴藴薀o(wú)源探頭測量門(mén)到發(fā)射器電壓，使用非插入型電流探頭測量集電極電流。