引言

在汽車和工業(yè)應用中，由于硅基半導體性能的局限性， 功率電子中使用的半導體材料正逐漸從硅過渡到如碳 化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）這類寬禁帶半導體。GaN 和SiC 支持更小、更快、更高效的設計。規(guī)制和經(jīng)濟壓 力持續(xù)促使高壓功率電子設計的效率提高。在空間受限 和/ 或移動應用（例如電動汽車）中，更小、更輕的設計 的功率密度優(yōu)勢尤為明顯，而從系統(tǒng)成本降低的角度來 看，更緊湊的功率電子設備也普遍受到青睞。同時，隨著 政府推出財政激勵措施和更嚴格的能效規(guī)定，效率的重 要性日益增長。例如，歐盟的Eco-design 指令、美國能 源部2016 年效率標準、中國質(zhì)量認證中心（CQC）標志 等全球?qū)嶓w發(fā)布的指南，都在管理電氣產(chǎn)品和設備的能 效要求。從電力生成到消耗的各個階段，功率電子都需 要實現(xiàn)更高的能效，如圖1 所示。功率轉(zhuǎn)換器在生成、 傳輸和消耗鏈的多個階段運作，由于這些操作沒有一個 是100% 高效的，因此每一步都會有一些功率損失。主 要由于熱能損失，這些效率的整體下降在整個周期中不 斷加劇.

然而，開關損耗是不可避免的。因此，目標是通過設計 優(yōu)化來最小化損失。與效率相關的設計參數(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)生在開關設備如MOSFET 或IGBT 上。

理想情況下，開關設備只有“開"或“關"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(tài)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(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(zhuǎn)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(shù)，以盡量 減少切換損失，從而設計出更高效的轉(zhuǎn)換器。

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(shù)和評估動態(tài) 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(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。

• 關斷參數(shù)：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(shù)：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?qū)妷海╒sd）。

此測試的執(zhí)行目的是：

• 保證像MOSFET 和IGBT 這類功率設備的規(guī)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(shù)，并驗證多個設備的 性能。

• 第一步，由第一次開通脈沖代表，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）。

• 第二步（2）是關閉第一個脈沖，這在自由輪二極管中產(chǎn) 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 在第二步 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）由第二次開通脈沖代表。脈沖寬度比第一次脈 沖短，以防設備過熱。第二個脈沖需要足夠長，以便進行 測量。圖8 中看到的電流超調(diào)是由于高側MOSFET/IGBT 的自由輪二極管反向恢復所致。

• 然后在第一次脈沖的關斷和第二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(qū)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(qū)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：

  高側探測：

• – Ch4：IRR - TCP 系列電流探頭

• – Ch5：VDS - THDP/TMDP 系列電壓探頭

• – 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jian端的TIVP 隔 離探頭。

• – Ch3：ID - TCP 系列電流探頭

• 直流電源

  高壓電源：

  門驅(qū)動電路電源：

• – 2230 系列或2280S 系列直流電源

• – EA-PSI 10000 可編程電源，最高2 千伏，30 千瓦

• – 2657A 高壓源表單元（SMU），最高3 千伏

• – 2260B-800-2，可編程直流電源，最高800 伏

AFG31000 上的雙脈沖應用

雙脈沖測試應用讓用戶能夠創(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。第一個 脈寬調(diào)整以獲得所需的開關電流值。第二個脈沖也可以獨立于第一個脈沖進行調(diào)整，通常比第一個脈沖短，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(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）

• 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，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(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安全連接，我們可以將示波器的 探頭連接到Q2（低側MOSFET）。

• 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。

  4/5/6 系列MSO 上的雙脈沖測試軟件

WBG Deskew 功能

注意圖18 中的波形與圖8 中顯示的波形相似。再次提到，Ids 上看到的電流超調(diào)是由于高側MOSFET/IGBT 的自由 輪二極管的反向恢復。這個尖峰是被使用設備的固有特性，并將導致?lián)p耗。

展示了在示波器上捕獲的波形和開通參數(shù)的測量。 在示波器上，啟動WBG-DPT 應用。選擇功率設備類型 為MOSFET。配置VDS、ID和VGS 源。

轉(zhuǎn)到開關定時分析組。添加Td(on)、Td(off)、Tr 和Tf 測量。

配置Td(on) 測量，點擊預設。這將示波器設置為單次采集。

開啟電源。

開啟AFG31000 以產(chǎn)生輸出脈沖。