IGBT的短路测试(Short-circuit Test)
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前言
我们说，IGBT的双脉冲实验和短路实验一般都会在一个阶段进行，但是有的时候短路测试会被忽略，原因有些时候会直接对装置直接实施短路测试，但是此时实际上并不是彻底和充分的。常见的情况有：
①没有进行IGBT短路实验
觉得这个实验风险太大，容易炸管子，损失太大或者觉得短路时电流非常大，这样很恐怖。
②进行了短路测试
但是测试时候的判断标准较简单，对IGBT的短路行为没有进行较为仔细的观察和考证。
这样做可能会导致后期装置出现由于IGBT短路相关导致的故障时，排查和处理起来较为麻烦，所以在使用起初，认真地对IGBT进行短路测试是非常必要。
短路分为两种：
桥臂内短路(直通)：
我们称之为“一类短路”，一般为桥臂直通导致的，硬件或软件失效造成的，此时短路回路中的电感量很小(100nH)，一般我们会采用VCE(sat)检测来实现短路保护。
桥臂间短路(大电感短路)：
我们称之为“二类短路”，一般为相间短路或者是相对地短路，此时短路回路中的电感较大(uH级别)，可以使用VCE(sat)检测或是使用霍尔检测电流变化来实现短路保护，这类短路中的电感量是不确定的。
一般我们所说的短路测试是针对桥臂内短路情形来说的，下面就让我们来了解下IGBT的短路测试到底是什么样的。
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短路测试
“一类短路”的短路测试平台示意图如下：
电网电压经过调压器和接触器，将母线电容电压充到所需要的值，再断开接触器。上管IGBT的门极被关断，且上管用粗短的铜排进行短路。对下管IGBT释放一个单脉冲，直通就形成了。
短路测试中需要注意以下事项：
①该测试的关注对象是电容组，母排，杂散电感，被测IGBT；
②短路回路中的电感量很低，所以上管的短路排的电感量可以极大地影响测量的结果，因此绝不可忽视图中所示“粗短铜排”的长短和粗细(当然，这里不一定非得使用铜排，电感量很低的导线也是可以的)；
③短路测试的能量全部来自母排电容组，通常来说，虽然短路
电流很大，但是因为时间极短，所以这个测试所消耗的能量
很小，实验前后电容上的电压不会有明显变化；
④上管IGBT是被一直关断的，但是这个器件不可或缺，因为下管被关断后，短路电流还需要由上管二极管续流；
⑤该测试需要测量三个物理量，分别是，下管的Vce，Vge，及Ic；
⑥电流探头需要测量图中Ic的位置，而不是短铜排的电流，这两个位置的电流波形是不同的；
⑦下管IGBT的脉冲需要严格控制，最开始实验可以使用10us，然后逐步增加；
⑧环境温度对实验结果有较大的影响，通常datasheet给出的高结温的结果；对应用者而言，常温实验是比较现实的；但低温时的短路测试会比较苛刻，如果系统规格有低温要求时，是有必要进行测试的；
⑨在此实验前需要对直流母排的杂散电感有一定的评估，或者用双脉冲测试方法对IGBT关断时的电压尖峰进行评估，以把握好短路时的电压尖峰，这个值可能会非常高；
短路测试步骤：
⑴在弱电情况下，确认所发单脉冲的宽度；
⑵将母线电压调至20~30V，发送一个单脉冲，此时也会发生短路，会有一定的电流，利用此步骤确认电流探头的方向及其他各物理量测量正确，同时确认示波器能正确捕捉该瞬间；这个步骤会比较安全；
⑶短路测试时，母线不宜过低，否则可能会见到一些奇异的震荡；对于1200V的IGBT，母线为500V起；1700V的IGBT，母线为700V起；3300V的IGBT，1000V起；(最近遇到一个问题：在做1000A/1700VIGBT模块短路测试时，母线电压加到900V时，模块发生失效，暂时还没有找到具体原因，等找到原因会再分享出来的)。
⑷母线加到额定点，将进线接触器断开，放出单脉冲，装置会发出“咚”的一声响，确认示波器捕捉到该时刻；
⑸通常来说，如果一切都设置正确的话，短路测试是很容易成功的，但也可能由于某些细节没有处理好，存在一定的几率，该测试会失败——这个IGBT会失效，并将电容的能量全部放掉，一般不会爆炸得很厉害；
⑹第一次发10us的脉冲实际上是一种尝试性测试，其目的是，在尽量低风险的情况下，对设备的短路性能进行最初步的摸底；
⑺如果第一次10us测试已经发现波形有问题，则需要整改；
⑻如果第一次10us测试发现IGB没有发生退饱和现象，则可能意味着短路回路电感量太大，需要整改；
⑼如果第一次10us测试发现波形正常，可以脉冲延长至12us，再做，再延长到15us，再做，如果发现驱动器释放出来的脉冲不再增长，则意味着驱动器对IGBT进行了保护，否则，意味着驱动器保护电路设置有问题，需要整改；
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实例简述
下图是某模块短路测试的实验结果：
ⅰ 用电流的上升率di/dt求出短路回路中的全部电感量，再减去之前测出的杂散电感，就能得到插入的铜排的感量；
ⅱ 关注短路电流的最高值，与datasheet中标注的值进行比较，是否过高，电流是否有震荡；
ⅲ 从IGBT退饱和算起，至电流被关断，期间的时间是否控制在10us内，这个条件是不可以妥协的；
ⅳ 短路电流的峰值与门极钳位电路有很大的关系，如果门极钳位性能不好，短路电流峰值会很高；(门极钳位电路出现的原因是因为米勒效应的存在，我们上篇文章有提到过，在IGBT短路时，米勒电容会影响门极电压，导致短路电流激增，使IGBT承担风险。越大容量的IGBT，米勒效应越强，门极钳位电路越重要！)
ⅴ 关注Vce电压，需要多久才退饱和，在关断时刻时，Vce电压尖峰有多高，是否存在危险，有源钳位是否动作；
ⅵ 门极电压的评判需要比较谨慎，因为这个测试di/dt及du/dt都很大，门极探头很容易测不准。
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第二种测试方法
下图是第二种测试方法：
给上管IGBT驱动器一个常高信号，使上管保持开通，再给下管发单脉冲。这个实验的优点是，确保短路回路中的电感量就是直流母线的杂散电感，足够低。当然，这可能谈不上是第二种方法，只是优化了短路实现的条件，将上面的“粗短铜排”的电感带来的影响消除了。
上面提到最近实验中遇到的一个问题，就是测1000A/1700V模块时，母线加到900V时模块失效，失效时的波形如下：
我们可以看到，此时的电流Ic瞬间冲得很高，门极电压也很大，伴随的现象是，门极驱动电路那块发生了严重的烧毁，具体原因还在分析。
短路振荡如何改善
之前我们有提到过IGBT的短路及其保护，以及门极驱动电路的设计，为了使IGBT能够在满足产品设计的要求时发挥其最大的性能，往往需要经过反反复复的测试，才能确定较优的参数和性能。今天我们就来聊聊IGBT短路测试中经常出现，但可能不太被重点分析的一种现象——短路振荡。
在我们设计产品进行IGBT选型的时候，我们在关注电流、电压、损耗等等性能参数中，短路耐量一直是备受关注的一点。而这时的关注也仅仅是“人群中多看你一眼”的节奏，有没有后续还得看实际测试，这也是众多规格书中基本存在的一句话“仅作参考”。所以，切实有效的测试才是下决定前最重要的一环，不同的工况有着不一样的需求，只有切实地验证之后才能较为放心大胆的使用。那么，问题来了，短路测试的时候，有些只会进行简单的功能验证，能够跳保护就OK；有些会稍微看下G-E、C-E之间的波形，但是仅仅是关注下，没什么突发状况，能保护住也是OK的，除非发生问题才会多一点关注，这种情况在进行厂家替代时尤为明显。
我们就来聊聊短路测试时，门极和集射极，甚至短路电流出现振荡的那些事儿~
短路振荡
一般情况下，器件厂家会针对其IGBT进行短路耐量的验证，需要IGBT自身拥有足够的抗短路浪涌电流的能力，这与其本身的芯片设计有关。但是一般器件厂商的测试仅仅是针对器件，而不同的应用场景，不同的外部电路等等因素会导致短路过程中出现异常的振荡。
相对来说，前面的短路测试偏向于器件，一般中小功率产品中会进行相间短路来进行短路测试，当然不仅限于这种方式，此时短路下IGBT的表现会有不一样，这与驱动电路参数，外部电路布局等等有关，特别是板级中小功率的情况。
首先，我们先来看下行业大佬Infineon那本《IGBT模块：技术、驱动、应用》中针对短路振荡的描述：
它这里主要还是针对模块的(芯片和模块布局等都经过优化权衡的)，它指出影响振荡产生的时间和程度的主要因素包括模块结构、IGBT特性和应用环境。它提到，IGBT和IGBT模块的厂家在研发阶段测试其振荡特性，并采取针对措施，包括以下几点：
❶ 如果可行，调整内部栅极电阻；
❷ 调整栅-射极阈值电压Uge(th)，提升门槛电压会抑制振荡；
❸ 优化内部模块布局可以减小IGBT模块内反馈回路或者防止这些反馈进入模块的应用。
上面指的是IGBT制造商，那么针对客户端而言，如何改善振荡呢？以上三点中只有第一点我们还能实践，改变栅极驱动电阻来进行调整。模块的使用可能会场景会好一点，最近发现使用IGBT单管的小功率产品中，短路振荡会比较频繁一点，并且往往会不太在意，下面我们来欣赏下短路振荡：
是不是很好看，振得翻来覆去的，这种振荡会吸引你的注意力吗？这是使用分立式IGBT的小功率Inverter相间短路时的波形，振得厉害的是栅极电压Vge和集射极电压Vce，高频振荡的同时其振荡幅值也很高，虽然在短时间测试中无法出现故障，但是长时间运行中可能便会发生失效。而往往使用分立式IGBT器件的Inverter都是为了降本，相应的测试也不会太过详细，特别有的短路测试仅仅只看下能否有效的短路保护。可是，完美的跳短路保护背后，却可能隐藏着“触目惊心”的振荡，从而隐藏着功率器件失效的风险，虽然实际应用中短路发生的频率和次数不会很大，但看着上面的波形，你放得下心吗？
如何改善短路振荡
那么，我们可以从哪些方面进行改善呢？
下面是驱动电路的几个主要部分：
针对功率半导体器件本身，应用端是无法改变什么的，只能从其外部配套来改善，其实主要是驱动参数的优化。
开始的驱动电路设计是针对开通、关断、损耗等来进行设计优化的，很少会将短路振荡考虑进去。以下几点改善短路振荡的方法主要基于驱动电路：
❶ 调整驱动电阻Rg
前面我们也聊过驱动电阻Rg对于IGBT工作的影响，增大或减小驱动电阻可以能够改善振荡；
❷ 减小or去掉栅极并联电容C0
驱动电路中增加并联栅极电容C0在减小栅极电压纹波稳定栅极电压的同时，对于IGBT的开通过程也有一定的作用。但是不同厂家的IGBT内部寄生输入电容往往有大有小，所以可以通过外部并联栅极电容来改变IGBT的实际输入电容，但是这种增加往往会增加影响短路时的IGBT实际表现。短路测试出现振荡时，可以通过减小或者去除栅极并联电容来改善。（PS:为了改善米勒效应的影响，很多厂家会提到将米勒电容做小，输入电容做大，也就是米勒电容和输入电容的比值做小，这方面对于栅极并联电容的选择及短路时的振荡可能会存在一定的影响）。
③优化栅极电压钳位器件选型
一般我们会选择TVS管来进行IGBT栅极电压的选型，但是不同的TVS响应时间也会不同，可以选择较快的TVS来进行钳位，增加钳位可靠性的同时，对于减轻短路振荡也会有一定的效果。
④优化驱动电路及逆变电路PCB布局
杂散电感的影响是带来振荡的一方面，所以尽量优化布局减小杂散电感能够有效的改善短路振荡。当然，对于上面三种方法，这种方法算是周期较长的，所以前期画板是尽量考虑周全。
对于振荡，一般我们会瞬间联想到RLC振荡（IFX描述的好像叫科尔皮兹振荡器），但是不要以为上述的方法只是我根据联想到的RLC因素“YY”出来的，实验证实可以较明显地减轻IGBT的短路振荡。如果你在实际测试中遇到过类似的高频短路振荡，不妨尝试下上述的方法，希望对您有所帮助。(针对IGBT模块的应用，现实中还未碰到过，所以以上仅作为中小功率应用的建议)
来源： Disciples/功率半导体那些事儿
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