拙见 | 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。

今天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。

短路测试可以参考下文：

IGBT 的短路测试(Short-circuit Test)

相对来说，上面的这个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。

Review | IGBT 栅极驱动

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)