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功率半導體雙脈沖測試分析

設計功率轉換器時，理想狀態下的功率損失為0%，如圖2 所示。

然而，開關損耗是不可避免的。因此，目標是通過設計 優化來*小化損失。與效率相關的設計參數必須經過嚴 格的測量。 典型的轉換器效率約為87% 到90%，這意味著10% 到 13% 的輸入功率在轉換器內部消耗掉，大部分以廢熱的 形式。這種損失的一大部分發生在開關設備如MOSFET 或IGBT 上。[2]

理想情況下，開關設備只有“開”或“關”兩種狀態，如 圖3 所示，并能瞬間在這兩種狀態間切換。在“開”狀態時， 開關的阻抗為零歐姆，無論通過開關的電流有多大，都不 會在開關中耗散任何功率。在“關”狀態時，開關的阻抗 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”（關斷）和“關”到“開”（開 通）的轉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損失。二極 管的反向恢復時間是衡量二極管切換速度的一個指標， 因此會影響轉換器設計中的切換損失。

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

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

什么是雙脈沖測試？

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

• 開通參數：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。
• 關斷參數：關斷延遲（td(off )）、下降時間（tf）、關斷時 間（toff）、關斷能量（Eoff）、電壓變化率（dv/dt）和電 流變化率（di/dt）。然后確定能量損失。
• 反向恢復參數：反向恢復時間（trr）、反向恢復電流（Irr）、 反向恢復電荷（Qrr）、反向恢復能量（Err）、電流變化率（di / dt）和正向導通電壓（Vsd）。

此測試的執行目的是：

• 保證像MOSFET 和IGBT 這類功率設備的規格。
• 確認功率設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，并驗證多個設備的 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。

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

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 作為待測設備時的電流流向如 圖7 所示。

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

• **步，由**次開**沖代表，是初始調整的脈寬。這 建立了電感中的電流。調整此脈沖以達到圖8 所示的所需 測試電流（Id）。
• **步（2）是關閉**個脈沖，這在自由輪二極管中產 生電流。關斷周期很短，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MOSFET 上的Id 在**步 歸零；然而，電流通過電感和高側二極管流動。這可以在 圖6 和圖7 中看到，電流通過高側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 中看到的電流超調是由于高側MOSFET/IGBT 的自由輪二極管反向恢復所致。
• 然后在**次脈沖的關斷和**次脈沖的開通時捕獲關 斷和開通時間測量。

下一部分將討論測試設置和測量方式。

雙脈沖測試設置

圖9 展示了進行雙脈沖測試的設備設置。需要以下設備：

• AFG31000：連接到隔離門驅動器，并使用設備上的雙脈 沖測試應用快速生成不同脈寬的脈沖。隔離門驅動器用于 開通MOSFET。
• 示波器：4/5/6 系列MSO（此設置使用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。
• 用于低側設備和高側二極管反向恢復的探頭：

  低側探測：

  • – 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

  門驅動電路電源：

  • – 2230 系列或2280S 系列直流電源

AFG31000 上的雙脈沖應用

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

雙脈沖測試應用讓用戶能夠創建具有不同脈寬的脈沖，這一直是主要的用戶痛點，因為創建具有不同脈寬的脈沖的 方法耗時。這些方法包括在PC 上創建波形并上傳到函數發生器。其他方法是使用需要大量編程工作和時間的微控 制器。AFG31000 上的雙脈沖測試應用使得用戶能夠直接從前端顯示屏進行操作。該應用直觀且快速設置。**個 脈寬調整以獲得所需的開關電流值。**個脈沖也可以獨立于**個脈沖進行調整，通常比**個脈沖短，以防止功 率設備被破壞。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用窗口。在這里，用戶可以設置：

• 脈沖數量：2 至30 脈沖
• 高低電壓幅度（V）
• 觸發延遲（秒）
• 觸發源 - 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置。

圖12 展示了雙脈沖測試的實際測試設置。

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，Q1 是高側。
• 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 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源引腳上的環路。

細心的探測和優化將幫助用戶獲得好的結果。用戶可以 采取一些步驟來進行準確和可重復的測量，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 省時間并提供可重復的結果。

現在可以在AFG31000 上設置雙脈沖測試，如圖15 所 示的屏幕捕獲。

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

SMU 儀器設置為向HV 源輸入100 伏。配置好門驅動信號和電源后，現在可以使用示波器上的WBG-DPT 應用來配 置和執行雙脈沖測試。

/5/6 系列MSO 上的雙脈沖測試軟件

WBG Deskew 功能

脈沖的幅度設置為2.5 伏。**個脈沖的脈寬設置為 10 微秒，間隙設置為5 微秒，**個脈沖設置為5 微秒。 觸發設置為手動。

SMU 儀器設置為向HV 源輸入100 伏。配置好門驅動 信號和電源后，現在可以使用示波器上的WBG-DPT 應 用來配置和執行雙脈沖測試。

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