高幅度任意波形/函数发生器简化汽车、半导体、科学和工业应用中的测量

　　分析IGBT的开关波形

　　近几年来，由于高开关速度、高电流功能、大阻塞电压和简单的门驱动特点，同时由于较低的传导损耗及较低的状态电压下跌水平，绝缘门双极晶体管(IGBT)在工业应用和汽车应用中正日益替代MOSFET。

　　IGBT的工业应用包括牵引、变速马达驱动器、不间断电源(UPS)、感应加热、焊接及电信和服务器系统中的高频开关式电源。在汽车行业中，点火线圈驱动电路、马达控制器和安全相关系统对IGBT的需求非常庞大。

　　IGBT是双极晶体管和MOSFET的交叉。在输出开关和传导特点方面，IGBT与双极晶体管类似。但是，双极晶体管是流控式的，IGBT与MOSFET则是压控式的。为保证完全饱和及限制短路电流，建议门驱动电压为+15V。

　　与MOSFET一样，IGBT在门、发射器和集电极之间有电容。在门端子和发射器端子之间应用电压时，会以指数方式通过门电阻器RG对输入电容充电，直到达到IGBT的特性门限电压，确定集电极到发射器传导。同样，输入门到发射器电容必须被放电到某个高原稳定电压，然后才能中断集电极到发射器传导，关闭IGBT。

　　门电阻器的尺寸对IGBT的起动特点和关闭特点有着明显的影响。门电阻器越小，IGBT门到发射器电容充电和放电的速度越快，因此其开关时间短，开关损耗小。但是，由于IGBT的门到发射器电容和引线的寄生电感，门电阻器值小也会导致振荡。为降低关闭损耗，改善IGBT对通过集电极到发射器电压变化速率注入的噪声的免疫力(这种噪声对电感负荷可能会具有实质性影响)，建议门驱动电路包括实质性的开关偏置。

　　IGBT的最佳性能随应用变化，必须相应地设计门驱动电路。在硬开关应用中，如马达驱动器或不间断电源，必须选择门驱动参数，以便开关波形不会超过IGBT的安全工作区。这可能意味着牺牲开关速度，要以开关损耗为代价。在软开关应用中，开关波形完全落在安全工作区内，可以把门驱动设计成短开关时间及较低的开关损耗。

　　图9. IGBT的开关波形。

　　为优化IGBT门驱动设计，设计工程师必须了解设备在实际负荷条件下的开关特点。为分析这些开关特点，可以使用一系列单个脉冲激励IGBT的门，同时使用示波器测量门到发射器电压、集电极到发射器电压和集电器电流。由于能够生成高幅度脉冲，AFG3011任意波形/函数发生器特别适合完成这一任务。由于IGBT的集电极到发射器电压对电感负荷的动态范围非常高，因此要求使用高压差分探头进行测量。可以使用标准无源探头测量门到发射器电压，使用非插入型电流探头测量集电极电流。