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功率半導(dǎo)體雙脈沖測(cè)試分析

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

然而，開(kāi)關(guān)損耗是不可避免的。因此，目標(biāo)是通過(guò)設(shè)計(jì) 優(yōu)化來(lái)*小化損失。與效率相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)必須經(jīng)過(guò)嚴(yán) 格的測(cè)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(kāi)關(guān)設(shè)備如MOSFET 或IGBT 上。[2]

理想情況下，開(kāi)關(guān)設(shè)備只有“開(kāi)”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(kāi)”狀態(tài)時(shí)， 開(kāi)關(guān)的阻抗為零歐姆，無(wú)論通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流有多大，都不 會(huì)在開(kāi)關(guān)中耗散任何功率。在“關(guān)”狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)的阻抗 為無(wú)限大，無(wú)電流流過(guò)，因此不耗散任何功率。 然而，實(shí)際上在“開(kāi)”到“關(guān)”（關(guān)斷）和“關(guān)”到“開(kāi)”（開(kāi) 通）的轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)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(huì)減緩器件的切換速度，延長(zhǎng)開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間。MOSFET 的漏極和源極之間的寄生電阻在漏電流流動(dòng)時(shí)會(huì)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(shí)間是衡量二極管切換速度的一個(gè)指標(biāo)， 因此會(huì)影響轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的切換損失。

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

優(yōu)選的測(cè)試方法來(lái)測(cè)量MOSFET 或IGBT 的切換參數(shù) 是“雙脈沖測(cè)試”方法。本應(yīng)用說(shuō)明將描述雙脈沖測(cè)試 及其實(shí)施方式。具體來(lái)說(shuō)，本應(yīng)用說(shuō)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(cè)量重要參數(shù)。

什么是雙脈沖測(cè)試？

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

• 開(kāi)通參數(shù)：開(kāi)通延遲（t d(on)）、上升時(shí)間（tr）、開(kāi)通時(shí)間（t on）、 開(kāi)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(shí)間（tf）、關(guān)斷時(shí) 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(shí)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(cè)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(rèn)功率設(shè)備或功率模塊的實(shí)際值或偏差。
• 在各種負(fù)載條件下測(cè)量這些切換參數(shù)，并驗(yàn)證多個(gè)設(shè)備的 性能。

圖5 展示了一個(gè)典型的雙脈沖測(cè)試電路。

圖5：雙脈沖測(cè)試電路。

該測(cè)試使用感應(yīng)負(fù)載和電源進(jìn)行。電感用于復(fù)制轉(zhuǎn) 換器設(shè)計(jì)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(kāi)啟并開(kāi)始導(dǎo)電。

圖6 展示了使用MOSFET 進(jìn)行雙脈沖測(cè)試時(shí)不同階段 的電流流向。使用IGBT 作為待測(cè)設(shè)備時(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)。以下是雙脈沖測(cè)試的不同階段（這些階段對(duì)應(yīng)圖6、 圖7 和圖8）

• **步，由**次開(kāi)**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(dá)到圖8 所示的所需 測(cè)試電流（Id）。
• **步（2）是關(guān)閉**個(gè)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(fù)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(guò)電感和高側(cè)二極管流動(dòng)。這可以在 圖6 和圖7 中看到，電流通過(guò)高側(cè)MOSFET（未被開(kāi)通的 MOSFET）的二極管流動(dòng)。
• 第三步（3）由**次開(kāi)**沖代表。脈沖寬度比**次脈 沖短，以防設(shè)備過(guò)熱。**個(gè)脈沖需要足夠長(zhǎng)，以便進(jìn)行 測(cè)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(kāi)通時(shí)捕獲關(guān) 斷和開(kāi)通時(shí)間測(cè)量。

下一部分將討論測(cè)試設(shè)置和測(cè)量方式。

雙脈沖測(cè)試設(shè)置

圖9 展示了進(jìn)行雙脈沖測(cè)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(dòng)器，并使用設(shè)備上的雙脈 沖測(cè)試應(yīng)用快速生成不同脈寬的脈沖。隔離門驅(qū)動(dòng)器用于 開(kāi)通MOSFET。
• 示波器：4/5/6 系列MSO（此設(shè)置使用Tektronix 5 系列 MSO）：測(cè)量VDS、VGS 和ID。
• 示波器上的雙脈沖測(cè)試軟件：4/5/6 系列MSO 上的Opt. WBG-DPT，用于自動(dòng)化測(cè)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(cè)：

  • – 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(cè)：

  • – 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(dòng)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(cè)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(cè)試應(yīng) 用在AFG31000 主屏幕上的圖標(biāo)，該應(yīng)用被下載并安裝到設(shè)備上后即可見(jiàn)。

雙脈沖測(cè)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(diǎn)，因?yàn)閯?chuàng)建具有不同脈寬的脈沖的 方法耗時(shí)。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(shí)間的微控 制器。AFG31000 上的雙脈沖測(cè)試應(yīng)用使得用戶能夠直接從前端顯示屏進(jìn)行操作。該應(yīng)用直觀且快速設(shè)置。**個(gè) 脈寬調(diào)整以獲得所需的開(kāi)關(guān)電流值。**個(gè)脈沖也可以獨(dú)立于**個(gè)脈沖進(jìn)行調(diào)整，通常比**個(gè)脈沖短，以防止功 率設(shè)備被破壞。用戶還可以定義每個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔。

圖11展示了雙脈沖測(cè)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(dòng)、外部或定時(shí)器
• 負(fù)載 - 50Ω 或高阻（high Z）

圖12 展示了雙脈沖測(cè)試的實(shí)際測(cè)試設(shè)置。

圖12 展示了雙脈沖測(cè)試的實(shí)際測(cè)試設(shè)置。

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

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

測(cè)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(dòng)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?yàn)镼1 不會(huì)被打開(kāi)。
• Q2 的門電阻已焊接。R = 100Ω。
• AF31000 的CH1 連接到評(píng)估板上的PWM_L 和GND 輸 入。
• 凱斯利電源連接到評(píng)估板上的Vcc 和GND 輸入，為門驅(qū) 動(dòng)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(cè)試測(cè)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(gè)被動(dòng)探頭連接到VGS。
• 差分電壓探頭連接到VDS。
• TCP0030A 電流探頭通過(guò) MOSFET源引腳上的環(huán)路。

細(xì)心的探測(cè)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(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確和可重復(fù)的測(cè)量，如從測(cè)量 中移除電壓、電流和時(shí)間誤差。如4/5/6 系列MSOs 的 WBG-DPT 選項(xiàng)的自動(dòng)化測(cè)量軟件消除了手動(dòng)步驟，節(jié) 省時(shí)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(cè)試，如圖15 所 示的屏幕捕獲。

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

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

/5/6 系列MSO 上的雙脈沖測(cè)試軟件

WBG Deskew 功能

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

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

圖17. WBG Deskew 過(guò)程專門用于雙脈沖測(cè)試，并在信號(hào)被獲 取后實(shí)現(xiàn)電流和電壓波形的對(duì)齊。