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功率半導(dǎo)體雙脈沖測試分析

設(shè)計功率轉(zhuǎn)換器時，理想狀態(tài)下的功率損失為0%，如圖2 所示。

然而，開關(guān)損耗是不可避免的。因此，目標是通過設(shè)計 優(yōu)化來*小化損失。與效率相關(guān)的設(shè)計參數(shù)必須經(jīng)過嚴 格的測量。 典型的轉(zhuǎn)換器效率約為87% 到90%，這意味著10% 到 13% 的輸入功率在轉(zhuǎn)換器內(nèi)部消耗掉，大部分以廢熱的 形式。這種損失的一大部分發(fā)生在開關(guān)設(shè)備如MOSFET 或IGBT 上。[2]

理想情況下，開關(guān)設(shè)備只有“開”或“關(guān)”兩種狀態(tài)，如 圖3 所示，并能瞬間在這兩種狀態(tài)間切換。在“開”狀態(tài)時， 開關(guān)的阻抗為零歐姆，無論通過開關(guān)的電流有多大，都不 會在開關(guān)中耗散任何功率。在“關(guān)”狀態(tài)時，開關(guān)的阻抗 為無限大，無電流流過，因此不耗散任何功率。 然而，實際上在“開”到“關(guān)”（關(guān)斷）和“關(guān)”到“開”（開 通）的轉(zhuǎn)換過程中會耗散功率。這些非理想行為是由于電 路中的寄生元件造成的。如圖4 所示，門極上的寄生電容 會減緩器件的切換速度，延長開通和關(guān)斷時間。MOSFET 的漏極和源極之間的寄生電阻在漏電流流動時會耗散功 率。

還需要考慮MOSFET 體二極管的反向恢復(fù)損失。二極 管的反向恢復(fù)時間是衡量二極管切換速度的一個指標， 因此會影響轉(zhuǎn)換器設(shè)計中的切換損失。

因此，設(shè)計工程師需要測量所有這些時間參數(shù)，以盡量 減少切換損失，從而設(shè)計出更高效的轉(zhuǎn)換器。

優(yōu)選的測試方法來測量MOSFET 或IGBT 的切換參數(shù) 是“雙脈沖測試”方法。本應(yīng)用說明將描述雙脈沖測試 及其實施方式。具體來說，本應(yīng)用說明將解釋如何使用 Tektronix AFG31000 任意函數(shù)發(fā)生器生成脈沖，并使 用4、5 或6 系列MSO 示波器測量重要參數(shù)。

什么是雙脈沖測試？

雙脈沖測試是一種測量功率設(shè)備的切換參數(shù)和評估動態(tài) 行為的方法。使用這種應(yīng)用的用戶通常希望測量以下切換 參數(shù)：

• 開通參數(shù)：開通延遲（t d(on)）、上升時間（tr）、開通時間（t on）、 開通能量（Eon）、電壓變化率（dv/dt）和電流變化率（di/ dt）。然后確定能量損失。
• 關(guān)斷參數(shù)：關(guān)斷延遲（td(off )）、下降時間（tf）、關(guān)斷時 間（toff）、關(guān)斷能量（Eoff）、電壓變化率（dv/dt）和電 流變化率（di/dt）。然后確定能量損失。
• 反向恢復(fù)參數(shù)：反向恢復(fù)時間（trr）、反向恢復(fù)電流（Irr）、 反向恢復(fù)電荷（Qrr）、反向恢復(fù)能量（Err）、電流變化率（di / dt）和正向?qū)妷海╒sd）。

此測試的執(zhí)行目的是：

• 保證像MOSFET 和IGBT 這類功率設(shè)備的規(guī)格。
• 確認功率設(shè)備或功率模塊的實際值或偏差。
• 在各種負載條件下測量這些切換參數(shù)，并驗證多個設(shè)備的 性能。

圖5 展示了一個典型的雙脈沖測試電路。

圖5：雙脈沖測試電路。

該測試使用感應(yīng)負載和電源進行。電感用于復(fù)制轉(zhuǎn) 換器設(shè)計中的電路條件。電源用于向電感提供電壓。 AFG31000 用于輸出脈沖，這些脈沖觸發(fā)MOSFET 的 門極，從而使其開啟并開始導(dǎo)電。

圖6 展示了使用MOSFET 進行雙脈沖測試時不同階段 的電流流向。使用IGBT 作為待測設(shè)備時的電流流向如 圖7 所示。

圖8 展示了在低側(cè)MOSFET 或IGBT 上取得的典型測量數(shù)據(jù)。以下是雙脈沖測試的不同階段（這些階段對應(yīng)圖6、 圖7 和圖8）

• **步，由**次開**沖代表，是初始調(diào)整的脈寬。這 建立了電感中的電流。調(diào)整此脈沖以達到圖8 所示的所需 測試電流（Id）。
• **步（2）是關(guān)閉**個脈沖，這在自由輪二極管中產(chǎn) 生電流。關(guān)斷周期很短，以保持電感中的負載電流盡可能 接近恒定值。圖8 顯示低側(cè)MOSFET 上的Id 在**步 歸零；然而，電流通過電感和高側(cè)二極管流動。這可以在 圖6 和圖7 中看到，電流通過高側(cè)MOSFET（未被開通的 MOSFET）的二極管流動。
• 第三步（3）由**次開**沖代表。脈沖寬度比**次脈 沖短，以防設(shè)備過熱。**個脈沖需要足夠長，以便進行 測量。圖8 中看到的電流超調(diào)是由于高側(cè)MOSFET/IGBT 的自由輪二極管反向恢復(fù)所致。
• 然后在**次脈沖的關(guān)斷和**次脈沖的開通時捕獲關(guān) 斷和開通時間測量。

下一部分將討論測試設(shè)置和測量方式。

雙脈沖測試設(shè)置

圖9 展示了進行雙脈沖測試的設(shè)備設(shè)置。需要以下設(shè)備：

• AFG31000：連接到隔離門驅(qū)動器，并使用設(shè)備上的雙脈 沖測試應(yīng)用快速生成不同脈寬的脈沖。隔離門驅(qū)動器用于 開通MOSFET。
• 示波器：4/5/6 系列MSO（此設(shè)置使用Tektronix 5 系列 MSO）：測量VDS、VGS 和ID。
• 示波器上的雙脈沖測試軟件：4/5/6 系列MSO 上的Opt. WBG-DPT，用于自動化測量。
• 用于低側(cè)設(shè)備和高側(cè)二極管反向恢復(fù)的探頭：

  低側(cè)探測：

  • – Ch1：VDS - TPP 系列或THDP/TMDP 系列電壓探頭
  • – Ch2：VGS - TPP 系列或帶MMCX 適配器**的TIVP 隔 離探頭。
  • – Ch3：ID - TCP 系列電流探頭

  高側(cè)探測：

  • – Ch4：IRR - TCP 系列電流探頭
  • – Ch5：VDS - THDP/TMDP 系列電壓探頭
• 直流電源

  高壓電源：

  • – EA-PSI 10000 可編程電源，*高2 千伏，30 千瓦
  • – 2657A 高壓源表單元（SMU），*高3 千伏
  • – 2260B-800-2，可編程直流電源，*高800 伏

  門驅(qū)動電路電源：

  • – 2230 系列或2280S 系列直流電源

AFG31000 上的雙脈沖應(yīng)用

AFG31000 的雙脈沖測試應(yīng)用可以直接從tek.com 網(wǎng)站下載，并安裝到AFG31000 上。圖10 展示了雙脈沖測試應(yīng) 用在AFG31000 主屏幕上的圖標，該應(yīng)用被下載并安裝到設(shè)備上后即可見。

雙脈沖測試應(yīng)用讓用戶能夠創(chuàng)建具有不同脈寬的脈沖，這一直是主要的用戶痛點，因為創(chuàng)建具有不同脈寬的脈沖的 方法耗時。這些方法包括在PC 上創(chuàng)建波形并上傳到函數(shù)發(fā)生器。其他方法是使用需要大量編程工作和時間的微控 制器。AFG31000 上的雙脈沖測試應(yīng)用使得用戶能夠直接從前端顯示屏進行操作。該應(yīng)用直觀且快速設(shè)置。**個 脈寬調(diào)整以獲得所需的開關(guān)電流值。**個脈沖也可以獨立于**個脈沖進行調(diào)整，通常比**個脈沖短，以防止功 率設(shè)備被破壞。用戶還可以定義每個脈沖之間的時間間隔。

圖11展示了雙脈沖測試應(yīng)用窗口。在這里，用戶可以設(shè)置：

• 脈沖數(shù)量：2 至30 脈沖
• 高低電壓幅度（V）
• 觸發(fā)延遲（秒）
• 觸發(fā)源 - 手動、外部或定時器
• 負載 - 50Ω 或高阻（high Z）

圖12 展示了雙脈沖測試的實際測試設(shè)置。

圖12 展示了雙脈沖測試的實際測試設(shè)置。

在這個例子中，使用ST Micro-Electronics 的評估板作為N 溝道功率MOSFET 和IGBT 的門驅(qū)動器：EVAL6498L， 如圖13 所示。

使用的MOSFET 也來自ST Micro-Electronics： STFH10N60M2。這些是N 溝道600V MOSFET，額定 漏電流為7.5A。

測試電路中使用的其他設(shè)備和器件包括：

• 脈泰克(Tektronix) 4、5 或6 系列MSO 示波器
• 泰克電流探頭TCP0030A-120 MHz
• 泰克高壓差分探頭：TMDP0200
• 凱斯利(Kiethley) 直流電源 - 2280S（為門驅(qū)動IC 供電）
• 凱斯利2461 SMU 儀器（為電感供電）
• 電感：約1 mH

電源連接如下：

• MOSFET 焊接在電路板上。Q2 是低側(cè)，Q1 是高側(cè)。
• Q1 的門和源需要短接，因為Q1 不會被打開。
• Q2 的門電阻已焊接。R = 100Ω。
• AF31000 的CH1 連接到評估板上的PWM_L 和GND 輸 入。
• 凱斯利電源連接到評估板上的Vcc 和GND 輸入，為門驅(qū) 動IC 供電。
• 凱斯利2461 SMU 儀器連接到HV 和GND，為電感供電。
• 然后將電感連接到HV 和OUT。

雙脈沖測試測量

一旦所有電源連接都已**連接，我們可以將示波器的 探頭連接到Q2（低側(cè)MOSFET），如圖14 所示。

• 一個被動探頭連接到VGS。
• 差分電壓探頭連接到VDS。
• TCP0030A 電流探頭通過 MOSFET源引腳上的環(huán)路。

細心的探測和優(yōu)化將幫助用戶獲得好的結(jié)果。用戶可以 采取一些步驟來進行準確和可重復(fù)的測量，如從測量 中移除電壓、電流和時間誤差。如4/5/6 系列MSOs 的 WBG-DPT 選項的自動化測量軟件消除了手動步驟，節(jié) 省時間并提供可重復(fù)的結(jié)果。

現(xiàn)在可以在AFG31000 上設(shè)置雙脈沖測試，如圖15 所 示的屏幕捕獲。

脈沖的幅度設(shè)置為2.5 伏。**個脈沖的脈寬設(shè)置為10 微秒，間隙設(shè)置為5 微秒，**個脈沖設(shè)置為5 微秒。觸發(fā) 設(shè)置為手動。

SMU 儀器設(shè)置為向HV 源輸入100 伏。配置好門驅(qū)動信號和電源后，現(xiàn)在可以使用示波器上的WBG-DPT 應(yīng)用來配 置和執(zhí)行雙脈沖測試。

/5/6 系列MSO 上的雙脈沖測試軟件

WBG Deskew 功能

脈沖的幅度設(shè)置為2.5 伏。**個脈沖的脈寬設(shè)置為 10 微秒，間隙設(shè)置為5 微秒，**個脈沖設(shè)置為5 微秒。 觸發(fā)設(shè)置為手動。

SMU 儀器設(shè)置為向HV 源輸入100 伏。配置好門驅(qū)動 信號和電源后，現(xiàn)在可以使用示波器上的WBG-DPT 應(yīng) 用來配置和執(zhí)行雙脈沖測試。

圖17. WBG Deskew 過程專門用于雙脈沖測試，并在信號被獲 取后實現(xiàn)電流和電壓波形的對齊。