FRD風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及測(cè)試方法

利用IGBT雙脈沖測(cè)試電路，改變電壓及電流測(cè)量探頭的位置，即可對(duì)IGBT并聯(lián)的續(xù)流二極管（下文簡(jiǎn)稱FRD）的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量與評(píng)估。

一、FRD工作時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

IGBT模塊中的并聯(lián)FRD，是一個(gè)非常重要的元件，但往往容易被忽視。其工作時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1、IGBT 出現(xiàn)短路或者故障時(shí)，IGBT驅(qū)動(dòng)器可以幫忙保護(hù)，但FRD芯片損壞時(shí)，沒(méi)有其他的防護(hù)手段；

2、在IGBT 開(kāi)通的時(shí)刻，實(shí)際上是FRD關(guān)斷的時(shí)刻。所有的功率半導(dǎo)體，包括IGBT 芯片和FRD芯片，在關(guān)斷時(shí)刻面臨的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于其開(kāi)通時(shí)面臨的風(fēng)險(xiǎn)；

我們用下圖紅色曲線的內(nèi)部區(qū)域來(lái)表示FRD的安全工作區(qū)（紅色曲線部分是一條恒功率線），F(xiàn)RD在其反向恢復(fù)過(guò)程中，瞬時(shí)功率不能超過(guò)該線，否則就有損壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，FRD的瞬時(shí)功率大小是其能否安全工作的重要判斷標(biāo)準(zhǔn)。

FRD的反向恢復(fù)過(guò)程實(shí)際上是其工作點(diǎn)從導(dǎo)通過(guò)度到截止的過(guò)程。工作點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡有多種選擇，如下圖所示。顯然，軌跡A是最安全的，軌跡C則是危險(xiǎn)的。

圖1 FRD安全工作區(qū)示意圖

二、FRD參數(shù)測(cè)量方法

FRD參數(shù)測(cè)量電路示意圖如圖2所示，測(cè)試電路與雙脈沖測(cè)試相同，具體探頭連接及計(jì)算如下：

1、將電流探頭加在上管IGBT的集電極；

2、將電壓探頭加在上管 IGBT的C-E極間；

3、將檢測(cè)電壓及電流的瞬時(shí)值的積做為一個(gè)函數(shù)，即可計(jì)算得出二極管的瞬時(shí)功率；

4、FRD只有在IGBT第二次開(kāi)通的時(shí)候才會(huì)有反向恢復(fù)行為，用示波器捕捉波形時(shí)應(yīng)注意時(shí)間選擇。

圖2 FRD參數(shù)測(cè)量電路示意圖

三、FRD參數(shù)測(cè)量圖像分析

FRD反向恢復(fù)時(shí)，實(shí)測(cè)的電壓及電流波形如圖3所示。

1、二極管反向恢復(fù)電流增加時(shí)，雜散電感Ls上產(chǎn)生的電壓與母線電壓反向（如圖4-1所示），因此電壓相抵，二極管相對(duì)安全。

2、二極管反向恢復(fù)電流減小時(shí)，雜散電感Ls上產(chǎn)生的電壓與母線電壓同向（如圖4-2所示），Ls上的電壓落在二極管上，F(xiàn)RD出現(xiàn)電壓尖峰，風(fēng)險(xiǎn)加大。如果雜散電感比較大，F(xiàn)RD容易超出其安全工作區(qū)而損壞。通過(guò)減小直流母排的雜散電感或優(yōu)化反向恢復(fù)電流的后半沿的斜率，都可以有效提高二極管的安全裕量。

3、通常在IGBT的datasheet中，關(guān)于二極管的部分會(huì)注明反向恢復(fù)電流的最大的di/dt水平，通常不能超過(guò)這個(gè)數(shù)值。否則可能導(dǎo)致電流震蕩。

四、FRD性能與外部參數(shù)的關(guān)系

在外部參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，二極管的風(fēng)險(xiǎn)也在發(fā)生變化，在此，我們舉幾個(gè)需要特別注意的參數(shù)：

1、驅(qū)動(dòng)的柵阻大小。IGBT驅(qū)動(dòng)的柵阻大小直接影響FRD前沿的di/dt大小，柵阻越小，F(xiàn)RD的di/dt越大，F(xiàn)RD反向恢復(fù)過(guò)程越容易出現(xiàn)震蕩，器件越容易損壞；

2、結(jié)溫。由于FRD的導(dǎo)通電壓VF具有負(fù)的溫度系數(shù)，結(jié)溫越低，二極管的開(kāi)關(guān)速度越快，其反向恢復(fù)電流后沿就越陡峭，產(chǎn)生的電壓尖峰也越高；

3、母線電壓的高低。母線電壓越高，F(xiàn)RD兩端的承壓更高。