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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。

**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。