寬禁帶 – 雙脈沖測試分(fēn)析

電(diàn)力電(diàn)子元件中(zhōng)使用(yòng)的半導體(tǐ)材料正從矽過渡到寬禁帶 (WBG) 半導體(tǐ)，如碳化矽 (SiC) 和氮化镓 (GaN)，因為(wèi)它們在汽車(chē)和工(gōng)業應用(yòng)中(zhōng)的高功率水平下具(jù)有(yǒu)優異的性能(néng)。由于其較高的工(gōng)作(zuò)電(diàn)壓，SiC 技(jì )術在電(diàn)動汽車(chē)的動力傳動系中(zhōng)得到了應用(yòng)，而 GaN 主要用(yòng)于筆(bǐ)記本電(diàn)腦、移動設備和其他(tā)消費類設備的快速充電(diàn)器。

主要特點和技(jì )術規格

• 16 種以上的、符合 JEDEC 和 IEC 标準的關鍵測量
• 能(néng)夠測試 SiC 或 GaN 器件以及 Si MOSFET 和 IGBT
• 指定脈沖區(qū)域（例如第一個脈沖、第二個脈沖或多(duō)個關注的脈沖），并與标記中(zhōng)的标量結果相關聯
• 波形上的注釋顯示所關注的區(qū)域
• 輕松導航所關注的脈沖區(qū)域，非常适合多(duō)脈沖使用(yòng)場合
• 用(yòng)于分(fēn)析噪聲波形的獨特邊沿細化算法
• 所有(yǒu)測量和配置的編程接口使得可(kě)以實現測試系統應用(yòng)的完全自動化
• 支持自動和自定義參考電(diàn)平有(yǒu)助于準确且有(yǒu)效地識别開始和停止區(qū)域
• 選通源上的遲滞電(diàn)平配置有(yǒu)助于避免出現虛假邊沿
• 通過 4/5B/6B 系列 MSO 上直觀的拖放界面快速添加和配置測量
• 反向恢複 (trr) 測量的重疊圖
• 增加了搜索方向（向前、向後），以便有(yǒu)效地調試脈沖區(qū)域
• 支持栅極驅動器（AFG31000 系列）控制，以用(yòng)于生成雙脈沖信号
• 用(yòng)于開關分(fēn)析的相差校正功能(néng)

該應用(yòng)程序基于以下标準參考設計：

• 雙脈沖測試 (DPT)
  • IEC 60747-9
  • JEP182
  • IEC 60747-8

• 二極管反向恢複
  • JESD24-10
  • IEC 60747-9

執行以下測量：

• 低側開關參數和高側二極管反向恢複測量
• 低側和高側開關參數

測試設置

下圖顯示了雙脈沖測試的測量設置。這是具(jù)有(yǒu)低側和高側切換的功率 MOSFET 的半橋栅極驅動器示例。在高側，源極至栅極引腳被短路，以測量二極管反向恢複電(diàn)流參數。

4/5B/6B 系列 MSO 非常适合進行雙脈沖測試。四個通道足以單獨測試高側或低側開關，但如果您想要監測作(zuò)為(wèi)源極的栅極電(diàn)壓和二極管反向恢複參數，則可(kě)能(néng)需要四個以上的通道，在這種情況下，最好使用(yòng)具(jù)有(yǒu)六個或八個通道的示波器。

對于 DPT 開關參數，用(yòng)戶需要采集低側的 Vds、Id 和 Vgs。同樣，用(yòng)戶在測試高側和低側 MOSFET 時，需要檢查高側的 Vgs（請參閱下面的低側和高側的雙脈沖測試設置）。二極管反向恢複通常在高側進行測量，這需要獲得 Irr 和 Vrr。泰克建議将栅極電(diàn)壓用(yòng)作(zuò)限定源，以避免邊沿的錯誤檢測。

為(wèi)了準确地進行高側 Vgs 測量，我們需要一個兼具(jù)高帶寬、高共模電(diàn)壓和高共模抑制的測量系統。除了全面的電(diàn)隔離外，Tektronix IsoVu 系統還提供 1 GHz 帶寬、2000 V 共模電(diàn)壓和 100 萬 : 1 (120 dB) 共模抑制比率。憑借這些技(jì )術規格的組合，它使得進行此類困難的測量成為(wèi)可(kě)能(néng)。

IsoVu 測量系統顯示設計中(zhōng)發生的細節，并進行穩定和可(kě)重複的測量。開關節點與高側和低側 MOSFET 之間的寄生效應産(chǎn)生的耦合是明顯的，并且 IsoVu 測量系統具(jù)有(yǒu)足夠的帶寬來正确測量此死區(qū)時間。

AFG31000 作(zuò)為(wèi)栅極驅動器

Tektronix AFG31000 系列是一款高性能(néng) AFG，内置任意波形發生和實時波形監測功能(néng)，并且配有(yǒu)寬大的觸摸屏。AFG31000 提供高級波形生成和編程功能(néng)，支持波形驗證，并擁有(yǒu)現代化的觸摸屏界面，是作(zuò)為(wèi)栅極驅動器器件的設備的理(lǐ)想之選。AFG31000 包括雙脈沖測試應用(yòng)程序，這是一個可(kě)下載的插件軟件應用(yòng)程序，支持實現電(diàn)源和半導體(tǐ)市場的雙脈沖應用(yòng)。雙脈沖測試用(yòng)戶界面提供觸滑式或點擊式控制，可(kě)生成至少兩種不同的脈沖寬度。這些脈沖可(kě)輸出到隔離式栅極驅動器，以觸發 MOSFET、IGBT 等功率器件并開始電(diàn)流傳導。借助 AFG31000 上的雙脈沖測試，設計和測試工(gōng)程師可(kě)在其 DUT 上生成具(jù)有(yǒu)不同脈沖寬度的電(diàn)壓脈沖。設計和測試工(gōng)程師能(néng)夠在不到一分(fēn)鍾的時間内執行雙脈沖測試，與使用(yòng) PC 軟件或微控制器在不同配置下執行測試相比，可(kě)節省數小(xiǎo)時的時間。

此外，該應用(yòng)程序還讓用(yòng)戶能(néng)夠指定所關注的脈沖區(qū)域，例如第一脈沖、第二脈沖和多(duō)個脈沖。此輸入用(yòng)于驗證和分(fēn)析示波器上采集的波形并執行 WBG 測量。

有(yǒu)關詳細信息，請參閱關于 AFG31000 的應用(yòng)指南。

用(yòng)戶可(kě)以在 WBG-DPT 應用(yòng)程序中(zhōng)配置 AFG 31000 系列，以生成具(jù)有(yǒu)所需幅度和脈沖寬度的雙脈沖信号。應當向功率器件的栅極驅動器提供 AFG 輸出激勵，以測量器件的開關、定時、電(diàn)容和反向恢複參數。

電(diàn)源

根據被測設備的要求，必須選擇正确的電(diàn)源為(wèi)被測設備供電(diàn)。設計人員可(kě)以使用(yòng)直流電(diàn)源或源測量單元 (SMU)。SMU 是一款可(kě)精(jīng)确地提供電(diàn)壓或電(diàn)流并同時測量電(diàn)壓和/或電(diàn)流的儀器。它與典型的直流電(diàn)源不同，能(néng)夠提供更高的速度和精(jīng)度、更寬的工(gōng)作(zuò)範圍和更佳的分(fēn)辨率，并且内置掃描功能(néng)。

以下是可(kě)用(yòng)于雙脈沖測試的泰克電(diàn)源的一些推薦選項。

• 高壓電(diàn)源：
  • 2657 A 高壓源表單元 (SMU)
  • 2260B-800-2，可(kě)編程直流電(diàn)源

• 栅極驅動電(diàn)路的電(diàn)源：
  • 2230 或 2280S 系列直流電(diàn)源

探測和附件

當工(gōng)程師考慮将設計從傳統矽器件切換到 WBG 器件時，會出現以下一些問題：

• 我的測試設備能(néng)否準确地測量 SiC 器件所展現出的快速開關動态？
• 我如何準确地優化栅極驅動性能(néng)和死區(qū)時間？
• 共模瞬态會影響測量的準确性嗎？
• 觀察到的振蕩是真實的還是探頭響應的結果？

進行栅極電(diàn)壓測量的傳統方法是使用(yòng)帶有(yǒu) MMCX 連接器的标準差分(fēn)探頭。這對于高側的栅極電(diàn)壓測量非常重要。測量 SiC 功率器件的栅極電(diàn)壓具(jù)有(yǒu)挑戰性，因為(wèi)它是一個以相對于示波器接地具(jù)有(yǒu)較高直流偏移和較高 dv/dt 的節點為(wèi)參考的低電(diàn)壓信号 (~20 Vpp)。

泰克隔離探頭在精(jīng)确執行這些浮栅測量方面發揮着關鍵作(zuò)用(yòng)。該探頭有(yǒu)助于發現非隔離探頭不能(néng)發現的快速和浮動信号。IsoVu™ 探頭技(jì )術使用(yòng)光學(xué)隔離功能(néng)幾乎消除了共模幹擾。這可(kě)在基準電(diàn)壓以 100 V/ns 或更快速度回擺 ±60 kV 時提供精(jīng)确的差分(fēn)測量。借助 IsoVu 第 2 代設計，設計師能(néng)夠以五分(fēn)之一的大小(xiǎo)擁有(yǒu) IsoVu 技(jì )術的全部優勢。

這些探頭還提供多(duō)用(yòng)途 MMCX 連接器以及無與倫比的帶寬、動态範圍和共模抑制組合，以滿足所有(yǒu) DPT 測試需求。

當工(gōng)業标準 MMCX 連接器插入到測試點附近的位置時，IsoVu 測量系統可(kě)實現優質(zhì)性能(néng)。這些連接器提供優異的信号保真度，建議用(yòng)于需要獲取精(jīng)确且可(kě)重複的結果的場合。在低側，使用(yòng)帶“方形引腳到 MMC”适配器（用(yòng)于 Vgs 探測）的 TPP，而在高側，使用(yòng)帶 MMCX 附件的 TIVP。

電(diàn)流探頭

• WBG 設置中(zhōng)需要電(diàn)流探頭以準确地進行 Id 測量。泰克提供一系列電(diàn)流探頭供用(yòng)戶選擇。
• TCP0030A 是一款簡便易用(yòng)的高性能(néng)交流/直流探頭，專為(wèi)與示波器配合使用(yòng)而設計，能(néng)夠直接連接到帶有(yǒu) TekVPI™ 探頭接口的示波器。該交流/直流測量探頭提供超過 120 MHz 的帶寬，并可(kě)選擇 5A 和 30A 測量量程。它還提供卓越的低電(diàn)流測量能(néng)力和最低 1 mA 的電(diàn)流精(jīng)度，這對滿足極具(jù)挑戰性的電(diàn)流測量需求至關重要。
• 對于更高的電(diàn)流需求，建議使用(yòng) TCP0150 探頭進行測試。除了 TCP 系列探頭外，泰克還提供 TRCP 系列 Rogowski 電(diàn)流探頭，這些探頭配備 BNC 連接器，可(kě)與任何支持 BNC 接口的儀器配合使用(yòng)。Rogowski 探頭可(kě)以很(hěn)容易連接大的連接點（如彙流條），或連接 MOSFET 或 IGBT 上的小(xiǎo)型 IC 腿。

下面是低側 DPT 和高側二極管反向恢複設置的推薦探測詳情：

• 低側探測
  • Ch1：Vds - TPP 或 THDP 系列電(diàn)壓探頭
  • Ch2：Vgs - TPP 系列，帶 MMCX 适配器尖端
  • Ch3：Id - TCP 系列電(diàn)流探頭
• 高側探測
  • Ch4：Irr - TCP - 系列電(diàn)流探頭
  • Ch5：Vds - THDP 系列電(diàn)壓探頭

下面是低側和高側 DPT 的推薦探測詳情：

• 低側探測
  • Ch1：Vds - TPP 或 THDP 系列電(diàn)壓探頭
  • Ch2：Vgs - TPP 系列，帶 MMCX 适配器尖端
  • Ch3：Id - TCP 系列電(diàn)流探頭
• 高側探測
  • Ch4：Vgs - TIVP 隔離探頭，帶 MMCX 适配器尖端
  • Ch5：Vds - THDP 系列電(diàn)壓探頭

測量

WBG-DPT 選項提供的測量可(kě)用(yòng)于測試 MOSFET、IGBT 等功率器件，如下圖所示。

電(diàn)源預設

預設設置非常适用(yòng)于設置示波器以獲得最佳垂直标度、水平時基、采樣率、觸發源和電(diàn)平以及指定 Vds 和 Vgs 電(diàn)平的脈沖數。

自動電(diàn)平功能(néng)按照 JEDEC/IEC 标準指示脈沖區(qū)域的開始和停止電(diàn)平。

默認情況下，脈沖區(qū)域按照标準進行定義。例如，DPT 中(zhōng)的 Eon 在第二個脈沖上測量，Eoff 在第一個脈沖上測量。但是，您可(kě)以根據自定義要求配置脈沖。您也可(kě)以選擇多(duō)脈沖配置來測試兩個以上的脈沖。這可(kě)根據設計提供更大的靈活性。

通常，設計人員在不同的漏電(diàn)流水平下使用(yòng)多(duō)個脈沖進行測試，而不是進行雙脈沖測試。當連續多(duō)次開關器件時，會對功率器件造成壓力，然後檢查開關可(kě)靠性。

在此操作(zuò)過程中(zhōng)，關鍵是要測量多(duō)個邊沿的開關切換參數。作(zuò)為(wèi)測量配置的一部分(fēn)，支持多(duō)個脈沖。

由于實際的 WBG 波形本質(zhì)上是非理(lǐ)想的且有(yǒu)噪聲的，用(yòng)戶可(kě)以通過指定自定義的開始和停止電(diàn)平（以百分(fēn)比為(wèi)單位）來定義來源。這有(yǒu)助于簡化調試過程，尤其是在 Vds 和 Id 有(yǒu)噪聲并包含振蕩時。

WBG 相差校正

當功率器件為(wèi) MOSFET 或 IGBT 時，WBG 相差校正功能(néng)分(fēn)别計算漏極-源極電(diàn)壓 (Vds) 和集電(diàn)極-發射極電(diàn)壓 (Vce) 或者漏極電(diàn)流 (Id) 和集電(diàn)極電(diàn)流 (Ic) 之間的相差。然後，相差值将應用(yòng)到示波器上配置 Vds 或 Vce 信号的源。

WBG 相差校正與傳統的基于示波器的相差校正操作(zuò)不同。通常，在測試裝(zhuāng)置上開始任何測量之前，先計算探頭之間的相差。在 WBG-DPT 中(zhōng)，測量系統的相差作(zuò)為(wèi)采集後操作(zuò)執行。

泰克執行 WBG 相差校正的方法不需要對器件進行任何連接修改。相差校正方法基于采集的 Id、Vgs 和電(diàn)路參數（探頭阻抗、有(yǒu)效電(diàn)感）對 Vds 進行建模。創建數學(xué)建模的 Vds，并将其顯示為(wèi) Math。将采集的 Vds 信号和建模的 Vds 重疊以計算相差，并将該相差應用(yòng)于采集的 Vds 信号。與傳統方法相比，這種相差校正過程更簡單。

開關參數分(fēn)析

Eon

MOSFET 的導通電(diàn)量是指在導通條件下或指定電(diàn)平期間，從 Id 的 10% 到 Vds 的 10% 計算的功率波形的積分(fēn)。

IGBT 的導通電(diàn)量是指在導通條件下或指定電(diàn)平期間，從 Vge 的 10% 到 Vce 的 2% 計算的功率波形的積分(fēn)。

Eoff

MOSFET 的關斷電(diàn)量是指在關斷條件下或指定電(diàn)平期間，在 Vds 的 10% 與 Id 的 10% 之間計算的功率波形的積分(fēn)。

IGBT 的關斷電(diàn)量是指在關斷條件下或指定電(diàn)平期間，從 Vge 的 90% 到 Ic 的 2% 計算的功率波形的積分(fēn)。

開關定時分(fēn)析

d/dt

開關 d/dt 用(yòng)于在以下條件下測量電(diàn)壓或電(diàn)流的變化速率（轉換速率）：從基準參考電(diàn)平上升到最高參考電(diàn)平，或者從最高參考電(diàn)平下降到基準參考電(diàn)平。

反向恢複分(fēn)析

Qrr

反向恢複電(diàn)荷 (Qrr) 是當功率器件從指定的正向電(diàn)流條件切換到具(jù)有(yǒu)正向偏置栅極條件的指定反向電(diàn)壓條件時，在單個集電(diàn)極電(diàn)流或漏極電(diàn)流脈沖的指定積分(fēn)時間期間從功率器件恢複的總電(diàn)荷。

恢複的電(diàn)荷測量值為(wèi)：

其中(zhōng)：

t₀ 是指電(diàn)流通過零點時的時刻。

t_i 是指定的積分(fēn)時間，最好是當電(diàn)流達到 Irr 的 2% 時。

Err

反向恢複耗損 (Qrr) 是當功率器件從指定的正向電(diàn)流條件切換到具(jù)有(yǒu)正向偏置栅極條件的指定反向電(diàn)壓條件時，在單個集電(diàn)極電(diàn)流或漏極電(diàn)流脈沖的指定積分(fēn)時間期間功率器件内耗散的電(diàn)量。

開關電(diàn)量是在積分(fēn)時間 t_i 期間器件電(diàn)壓和電(diàn)流的乘積積分(fēn)的結果。

電(diàn)容分(fēn)析

Qoss

WBG-DPT 應用(yòng)程序的 Qoss 測量是在每個開關周期中(zhōng)必須提供給功率器件的寄生輸出電(diàn)容的電(diàn)荷。這表示輸出電(diàn)荷。輸出電(diàn)荷的精(jīng)确測量至關重要，因為(wèi)它直接影響 WBG 器件的開關速度以及 SiC MOSFET 主體(tǐ)二極管在導通期間的電(diàn)容特性。

其中(zhōng)：

t1 是指電(diàn)流通過零點時的時刻。

t2 是指定的時間間隔，最好是在 Vds 達到峰值電(diàn)壓的 90% 時。