FRD風險評估及測試方法

利用IGBT雙脈沖測試電路，改變電壓及電流測量探頭的位置，即可對IGBT并聯(lián)的續(xù)流二極管（下文簡稱FRD）的相關(guān)參數(shù)進行測量與評估。

一、FRD工作時的風險評估

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

1、IGBT 出現(xiàn)短路或者故障時，IGBT驅(qū)動器可以幫忙保護，但FRD芯片損壞時，沒有其他的防護手段；

2、在IGBT 開通的時刻，實際上是FRD關(guān)斷的時刻。所有的功率半導(dǎo)體，包括IGBT 芯片和FRD芯片，在關(guān)斷時刻面臨的風險遠大于其開通時面臨的風險；

我們用下圖紅色曲線的內(nèi)部區(qū)域來表示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)過程中，瞬時功率不能超過該線，否則就有損壞的風險。因此，FRD的瞬時功率大小是其能否安全工作的重要判斷標準。

FRD的反向恢復(fù)過程實際上是其工作點從導(dǎo)通過度到截止的過程。工作點的運動軌跡有多種選擇，如下圖所示。顯然，軌跡A是最安全的，軌跡C則是危險的。

圖1 FRD安全工作區(qū)示意圖

二、FRD參數(shù)測量方法

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

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、將檢測電壓及電流的瞬時值的積做為一個函數(shù)，即可計算得出二極管的瞬時功率；

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

圖2 FRD參數(shù)測量電路示意圖

三、FRD參數(shù)測量圖像分析

FRD反向恢復(fù)時，實測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，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，二極管相對安全。

2、二極管反向恢復(fù)電流減小時，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，風險加大。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)于二極管的部分會注明反向恢復(fù)電流的最大的di/dt水平，通常不能超過這個數(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，二極管的風險也在發(fā)生變化，在此，我們舉幾個需要特別注意的參數(shù)：

1、驅(qū)動的柵阻大小。IGBT驅(qū)動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具有負的溫度系數(shù)，結(jié)溫越低，二極管的開關(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。