雙脈沖平臺搭建的難題如何破解

雙脈沖測試是表征功率半導(dǎo)體器件動態(tài)特性的重要手段，適用于各類功率器件，包括MOSFET、IGBT、Diode、SiC MOSFET、GaN HEMTs。同時，這項測試發(fā)生在器件研發(fā)、器件生產(chǎn)、系統(tǒng)應(yīng)用等各個環(huán)節(jié)，測試結(jié)果有力地保證了器件的特性和質(zhì)量、功率變換器的指標(biāo)和安全，可以說是伴隨了功率器件生命的關(guān)鍵時刻。

隨著先進功率器件的問世以及功率變換器設(shè)計愈發(fā)精細(xì)，器件研發(fā)工程師和電源工程師都越來越關(guān)注雙脈沖測試。

工欲善其事，必先利其器，擁有一套雙脈沖測試平臺是獲得正確評估結(jié)果的第一步。本文將破解雙脈沖平臺搭建的難題，快來看看吧。

下圖是雙脈沖測試平臺架構(gòu)，并不復(fù)雜，主要包括：測試板、高壓電源、輔助電源、信號發(fā)生器、負(fù)載電感、示波器、電壓探頭、電流探頭。

測試板

測試板是完成雙脈沖測試的核心，一般為半橋電路，有時也會采用根據(jù)實際系統(tǒng)應(yīng)用的拓?fù)?。其上主要部件包括母線電容、驅(qū)動電路，母線電容為測試過程提供穩(wěn)定的母線電壓和所需的電流，驅(qū)動電路控制器件完成開關(guān)動作實現(xiàn)雙脈沖過程。

測試板的優(yōu)劣直接影響到評估結(jié)果的正確性。測試板需要首先需要確保在測量無誤的情況下不出現(xiàn)異常波形，比如電壓尖峰超過器件耐壓值、無法解釋的震蕩、橋臂短路等，否側(cè)這樣的測試結(jié)果是沒有價值的。對于服務(wù)于系統(tǒng)應(yīng)用器件選型的測試需求，測試板可以直接選用變換器實際的電路板，這樣的測試結(jié)果可以直接用于電路設(shè)計。隨著器件的開關(guān)速度越來越快，對測試板的性能也提出了更高的要求，如回路電感、驅(qū)動電路等，對此大家可以參考我們之前的文章“雙脈沖測試板盤點——SiC MOSFET 測試必備”。

Infineon公司推出了1200V CoolSiCTM MOSFET評估平臺、含主電路+驅(qū)動的分立器件評估板、含主電路+驅(qū)動的模塊評估板、模塊驅(qū)動板，共4類評估板。

高壓電源

高壓電源在測試開始之前為測試板上的母線電容充電，起到設(shè)定測試電壓的作用。母線電容容值一般較大，從幾十uF到幾mF不等，這就要求高壓電源對容性負(fù)載的穩(wěn)壓能力要強。雙脈沖測試中，測試電壓一般不超過器件的耐壓值，故可以根據(jù)被測器件的電壓等級來確定高壓電源的電壓輸出能力。同時，同一雙脈沖測試平臺往往會用于測試不同電壓等級的器件，這就要求高壓電源的輸出電壓精度需要滿足測試要求。

此外，在雙脈沖測試中，測試電流是由被充滿電的母線電容提供的，高壓電源在測試過程中并不提供能量。故高壓電源可以選擇功率較小的型號，一方面可以節(jié)約成本，一方面可以降低噪聲。

高壓電源可以選擇泰克吉時利的2260B-800-2直流電源。

輔助電源

輔助電源的作用是為測試板上的驅(qū)動電路供電，所需電壓一般在20V以內(nèi)，所需功率一般在20W以內(nèi)。同時，對于上下管都是開關(guān)管的測試板，可以選擇雙通道輸出的輔助電源為上下管的驅(qū)動電壓分別供電；對于三電平電路的雙脈沖測試，可以選擇三通道輸出的輔助電源為每個器件的驅(qū)動電壓分別供電。這樣的好處是可以提高測試電路的可靠性，不會因為某一驅(qū)動電路故障而影響其他驅(qū)動電路。

輔助電源可以選擇泰克吉時利的 2220 / 2230 / 2231系列直流電源。

信號發(fā)生器

信號發(fā)生器的功能是向測試板上的驅(qū)動電路發(fā)出雙脈沖信號，完成雙脈沖測試。由于測試所需的雙脈沖信號頻率不高，且其上升下降速度對測試的影響很小，故選擇各廠商能提供的最基礎(chǔ)的型號發(fā)生器即可。

不過需要注意的是，對雙脈沖測試平臺進行改造后還可以進行多脈沖測試、短路測試、雪崩測試、電源開環(huán)測試，此時往往所需的控制信號就不止一路了。所以在搭建雙脈沖測試平臺時可以選擇雙通道輸出的信號發(fā)生器，以提高靈活度。

同時，在進行雙脈沖測試時，需要不斷根據(jù)測試條件調(diào)整雙脈沖信號的脈寬和間隔，老式的信號發(fā)生器需要手動輸入編輯波形或上位機編程來實現(xiàn)，十分不方便。針對這個問題，可以選擇泰克科技的AFG31021（單通道）或AFG31022（雙通道）信號發(fā)生器，其上搭載的雙脈沖測試app可以快捷地實現(xiàn)雙脈沖信號設(shè)置。

AFG31000系列任意波函數(shù)發(fā)生器，雙脈沖測試app界面

示波器

示波器用于被測器件開關(guān)過程波形的采集，至少包含驅(qū)動波形、端電壓波形和端電流波形，故可以選擇4通道示波器。此外，又是需要同時對上下管器件進行測試，這時就可以選擇8通道示波器，可以輕松搞定多路信號的采集。

在示波器選擇時，還需要考慮其帶寬、分辨率、噪聲、采樣率等。傳統(tǒng)的器件開關(guān)速度慢，對示波器的要求不高。但隨著越來越多先進功率器件的出現(xiàn)，其電壓電流范圍更廣、開關(guān)速度更快，對用于雙脈沖測試的示波器提出了更高的要求。

示波器可以選擇泰克的MSO5B和MSO6B系列示波器的1GHz版本，能夠滿足高開關(guān)速度對帶寬的要求，其具有12bit ADC可顯著提高測量精度、降低測量噪聲，特別對高壓大電流器件效果最為顯著。此外，MSO5B和MSO6B系列示波器提供4通道、6通道、8通道3種配置選擇。

泰克MSO5B系列高分辨率多通道示波器，泰克MSO6B系列高分辨率低噪聲示波器

電壓探頭

電壓探頭用于測量被測器件的驅(qū)動電壓波形和端電壓波形。

10倍無源探頭：帶寬高可達(dá)1GHz、衰減倍數(shù)小，使用無源探頭能夠獲得精準(zhǔn)的驅(qū)動電壓波形。由于其屬于無源探頭，故僅能用于測量下管器件的驅(qū)動電壓。同時還可用于200V以下器件端電壓測量，能夠獲的最精準(zhǔn)的端電壓測量結(jié)果。在使用時同樣需要注意接地線的影響和阻抗匹配問題，且只能用于下管測量。在使用10倍無源探頭測量驅(qū)動電壓時，需要注意接地線的影響和阻抗匹配。

泰克10X無源探頭

高壓單端探頭：最高測量范圍高達(dá)2500V，最高帶寬可達(dá)800MHz，能夠獲的最精準(zhǔn)的端電壓測量結(jié)果。在使用時同樣需要注意接地線的影響和阻抗匹配問題，且只能用于下管測量。

泰克高壓單端探頭

高壓差分探頭：其為差分輸入，故可以用于上管測試，但由于其CMRR不夠高，其測量結(jié)果正確性和精度不足以用于精準(zhǔn)的器件特性分析；屬于有源探頭，輸入阻抗相比10倍無源探頭更大，當(dāng)被測器件發(fā)生損壞時，對示波器來講更加安全；由于其衰減倍數(shù)較大，一般在50倍以上，導(dǎo)致其測量的驅(qū)動電壓波形上噪聲較大、精度較低；由于其端部接線長度較長，容易受到干擾，導(dǎo)致測量結(jié)果錯誤。

泰克高壓差分探頭

光隔離探頭：帶寬高可達(dá)1GHz，最小衰減比僅1倍，1GHz下CMRR高達(dá)-90dB，使用光隔離探頭能夠獲得最準(zhǔn)確的驅(qū)動電壓波形，是現(xiàn)階段測量上管驅(qū)動電壓波形的最佳工具。

泰克光隔離探頭TIVP

電流探頭

羅氏線圈：測量范圍從幾十A到幾千安無飽和問題，只能測量交流電流，無法測量直流電流，正好可以用于測量器件開關(guān)/反向恢復(fù)特性。羅氏線圈正好套入器件中測量電流，如分立器件的引腳、功率模塊的端子、功率模塊的鍵合線，這樣的方式不會破壞主功率線路而對器件特性造成影響。但其最高帶寬僅為30MHz，無法精準(zhǔn)測量高速器件的電流。

泰克羅氏線圈

同軸電阻：最大帶寬可達(dá)1GHz以上，特殊安裝方式引入功率回路的寄生電感較小，測量精度高，能夠獲得精準(zhǔn)的器件斷電流，特別對SiC、GaN器件更是不二之選。

泰克與系統(tǒng)商一同完美實現(xiàn)搭建雙脈沖平臺系統(tǒng)——DPT1000A 功率器件動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)，專門用于針對三代半導(dǎo)體功率器件的動態(tài)特性分析測試，解決客戶在功率器件動態(tài)特性表征中常見的疑難問題。

該系統(tǒng)亮相在泰克第三代半導(dǎo)體測試開放實驗室。該實驗室是泰克第一個千萬級半導(dǎo)體器件測試實驗室，已經(jīng)開放免費測試名額，將由測試專家提供現(xiàn)場技術(shù)指導(dǎo)，為您解決SiC和GaN器件在模塊的靜態(tài)及動態(tài)參數(shù)、在應(yīng)用級別的準(zhǔn)確測試與評價難題。

如果你想評估第三代半導(dǎo)體器件性能，如果你想驗證所選功率器件是不是符合您的產(chǎn)品設(shè)計要求，那就來預(yù)約泰克先進半導(dǎo)體開放實驗室吧！專家指導(dǎo)，精確評估，讓您使用無憂！

責(zé)任編輯：彭菁