庖丁解牛看功率器件雙脈沖測(cè)試平臺(tái)

庖丁解?？垂β势骷p脈沖測(cè)試平臺(tái)雙脈沖測(cè)試是表征功率半導(dǎo)體器件動(dòng)態(tài)特性的重要手段，適用于各類功率器件，包括MOSFET、IGBT、Diode、SiCMOSFET、GaNHEMTs。同時(shí)，這項(xiàng)測(cè)試發(fā)生在器件研發(fā)、器件生產(chǎn)、系統(tǒng)應(yīng)用等各個(gè)環(huán)節(jié)，測(cè)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(shuō)是伴隨了功率器件生命的關(guān)鍵時(shí)刻。隨著先進(jìn)功率器件的問世以及功率變換器設(shè)計(jì)愈發(fā)精細(xì)，器件研發(fā)工程師和電源工程師都越來(lái)越關(guān)注雙脈沖測(cè)試。工欲善其事，必先利其器，擁有一套雙脈沖測(cè)試平臺(tái)是獲得正確評(píng)估結(jié)果的第一步。本文將破解雙脈沖平臺(tái)搭建的難題，快來(lái)看看吧。下圖是雙脈沖測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)，并不復(fù)雜，主要包括：測(cè)試板、高壓電源、輔助電源、信號(hào)發(fā)生器、負(fù)載電感、示波器、電壓探頭、電流探頭。測(cè)試板測(cè)試板是完成雙脈沖測(cè)試的核心，一般為半橋電路，有時(shí)也會(huì)采用根據(jù)實(shí)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(dòng)電路，母線電容為測(cè)試過(guò)程提供穩(wěn)定的母線電壓和所需的電流，驅(qū)動(dòng)電路控制器件完成開關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)雙脈沖過(guò)程。測(cè)試板的優(yōu)劣直接影響到評(píng)估結(jié)果的正確性。測(cè)試板需要首先需要確保在測(cè)量無(wú)誤的情況下不出現(xiàn)異常波形，比如電壓尖峰超過(guò)器件耐壓值、無(wú)法解釋的震蕩、橋臂短路等，否側(cè)這樣的測(cè)試結(jié)果是沒有價(jià)值的。對(duì)于服務(wù)于系統(tǒng)應(yīng)用器件選型的測(cè)試需求，測(cè)試板可以直接選用變換器實(shí)際的電路板，這樣的測(cè)試結(jié)果可以直接用于電路設(shè)計(jì)。隨著器件的開關(guān)速度越來(lái)越快，對(duì)測(cè)試板的性能也提出了更高的要求，如回路電感、驅(qū)動(dòng)電路等，對(duì)此大家可以參考我們之前的文章“雙脈沖測(cè)試板盤點(diǎn)——SiCMOSFET測(cè)試必備”。Infineon公司推出了1200VCoolSiCTMMOSFET評(píng)估平臺(tái)、含主電路+驅(qū)動(dòng)的分立器件評(píng)估板、含主電路+驅(qū)動(dòng)的模塊評(píng)估板、模塊驅(qū)動(dòng)板，共4類評(píng)估板。高壓電源高壓電源在測(cè)試開始之前為測(cè)試板上的母線電容充電，起到設(shè)定測(cè)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(duì)容性負(fù)載的穩(wěn)壓能力要強(qiáng)。雙脈沖測(cè)試中，測(cè)試電壓一般不超過(guò)器件的耐壓值，故可以根據(jù)被測(cè)器件的電壓等級(jí)來(lái)確定高壓電源的電壓輸出能力。同時(shí)，同一雙脈沖測(cè)試平臺(tái)往往會(huì)用于測(cè)試不同電壓等級(jí)的器件，這就要求高壓電源的輸出電壓精度需要滿足測(cè)試要求。此外，在雙脈沖測(cè)試中，測(cè)試電流是由被充滿電的母線電容提供的，高壓電源在測(cè)試過(guò)程中并不提供能量。故高壓電源可以選擇功率較小的型號(hào)，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(shí)利的2260B-800-2直流電源。輔助電源輔助電源的作用是為測(cè)試板上的驅(qū)動(dòng)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(shí)，對(duì)于上下管都是開關(guān)管的測(cè)試板，可以選擇雙通道輸出的輔助電源為上下管的驅(qū)動(dòng)電壓分別供電；對(duì)于三電平電路的雙脈沖測(cè)試，可以選擇三通道輸出的輔助電源為每個(gè)器件的驅(qū)動(dòng)電壓分別供電。這樣的好處是可以提高測(cè)試電路的可靠性，不會(huì)因?yàn)槟骋或?qū)動(dòng)電路故障而影響其他驅(qū)動(dòng)電路。輔助電源可以選擇泰克吉時(shí)利的2220/2230/2231系列直流電源。信號(hào)發(fā)生器信號(hào)發(fā)生器的功能是向測(cè)試板上的驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出雙脈沖信號(hào)，完成雙脈沖測(cè)試。由于測(cè)試所需的雙脈沖信號(hào)頻率不高，且其上升下降速度對(duì)測(cè)試的影響很小，故選擇各廠商能提供的最基礎(chǔ)的型號(hào)發(fā)生器即可。不過(guò)需要注意的是，對(duì)雙脈沖測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行改造后還可以進(jìn)行多脈沖測(cè)試、短路測(cè)試、雪崩測(cè)試、電源開環(huán)測(cè)試，此時(shí)往往所需的控制信號(hào)就不止一路了。所以在搭建雙脈沖測(cè)試平臺(tái)時(shí)可以選擇雙通道輸出的信號(hào)發(fā)生器，以提高靈活度。同時(shí)，在進(jìn)行雙脈沖測(cè)試時(shí)，需要不斷根據(jù)測(cè)試條件調(diào)整雙脈沖信號(hào)的脈寬和間隔，老式的信號(hào)發(fā)生器需要手動(dòng)輸入編輯波形或上位機(jī)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，十分不方便。針對(duì)這個(gè)問題，可以選擇泰克科技的AFG31021（單通道）或AFG31022（雙通道）信號(hào)發(fā)生器，其上搭載的雙脈沖測(cè)試app可以快捷地實(shí)現(xiàn)雙脈沖信號(hào)設(shè)置。AFG31000系列任意波函數(shù)發(fā)生器，雙脈沖測(cè)試app界面示波器示波器用于被測(cè)器件開關(guān)過(guò)程波形的采集，至少包含驅(qū)動(dòng)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(shí)對(duì)上下管器件進(jìn)行測(cè)試，這時(shí)就可以選擇8通道示波器，可以輕松搞定多路信號(hào)的采集。在示波器選擇時(shí)，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(duì)示波器的要求不高。但隨著越來(lái)越多先進(jìn)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(duì)用于雙脈沖測(cè)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(duì)帶寬的要求，其具有12bitADC可顯著提高測(cè)量精度、降低測(cè)量噪聲，特別對(duì)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(cè)量被測(cè)器件的驅(qū)動(dòng)電壓波形和端電壓波形。10倍無(wú)源探頭：帶寬高可達(dá)1GHz、衰減倍數(shù)小，使用無(wú)源探頭能夠獲得精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)電壓波形。由于其屬于無(wú)源探頭，故僅能用于測(cè)量下管器件的驅(qū)動(dòng)電壓。同時(shí)還可用于200V以下器件端電壓測(cè)量，能夠獲的最精準(zhǔn)的端電壓測(cè)量結(jié)果。在使用時(shí)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(cè)量。在使用10倍無(wú)源探頭測(cè)量驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，需要注意接地線的影響和阻抗匹配。泰克10X無(wú)源探頭高壓?jiǎn)味颂筋^：最高測(cè)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(cè)量結(jié)果。在使用時(shí)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(cè)量。泰克高壓?jiǎn)味颂筋^高壓差分探頭：其為差分輸入，故可以用于上管測(cè)試，但由于其CMRR不夠高，其測(cè)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(wú)源探頭更大，當(dāng)被測(cè)器件發(fā)生損壞時(shí)，對(duì)示波器來(lái)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(cè)量的驅(qū)動(dòng)電壓波形上噪聲較大、精度較低；由于其端部接線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，容易受到干擾，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果錯(cuò)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(dòng)電壓波形，是現(xiàn)階段測(cè)量上管驅(qū)動(dòng)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(cè)量范圍從幾十A到幾千安無(wú)飽和問題，只能測(cè)量交流電流，無(wú)法測(cè)量直流電流，正好可以用于測(cè)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(cè)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(huì)破壞主功率線路而對(duì)器件特性造成影響。但其最高帶寬僅為30MHz，無(wú)法精準(zhǔn)測(cè)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(cè)量精度高，能夠獲得精準(zhǔn)的器件斷電流，特別對(duì)SiC、GaN器件更是不二之選。泰克與系統(tǒng)商一同完美實(shí)現(xiàn)搭建雙脈沖平臺(tái)系統(tǒng)——DPT1000A功率器件動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，專門用于針對(duì)三代半導(dǎo)體功率器件的動(dòng)態(tài)特性分析測(cè)試，解決客戶在功率器件動(dòng)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(cè)試開放實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室是泰克第一個(gè)千萬(wàn)級(jí)半導(dǎo)體器件測(cè)試實(shí)