電源模塊相關(guān)信號(hào)的探測(cè)要求

為了獲得高質(zhì)量的表征，需要?jiǎng)討B(tài)表征寬帶隙 （WBG） 晶體管。與分立器件相比，在雙脈沖測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)試電源模塊需要測(cè)量低側(cè)和高側(cè)信號(hào)。由于高電壓和快速開關(guān)，這給隔離和共模 （CM） 抑制帶來了新的挑戰(zhàn)。本文概述了每個(gè)相關(guān)信號(hào)的探測(cè)要求。

動(dòng)態(tài)功率器件分析儀，例如雙脈沖測(cè)試系統(tǒng)，用于測(cè)量功率晶體管或二極管的動(dòng)態(tài)特性。在這樣的系統(tǒng)中，需要用示波器測(cè)量 V DS、V GS、I D和 I G，如圖 1 所示。對(duì)于分立器件，可以通過將被測(cè)器件 （DUT） 放置在半橋的低端來簡(jiǎn)化測(cè)量要求。這引入了相對(duì)較低的 CM 信號(hào)。I D可以用高帶寬分流器直接測(cè)量。

與分立器件相比，電源模塊通常包含至少一個(gè)半橋。它不是對(duì)稱構(gòu)建的，這導(dǎo)致低端和高端的動(dòng)態(tài)行為不同。這使得還需要?jiǎng)討B(tài)測(cè)量低側(cè)和高側(cè)的V DS、 V GS（和 I D、 I G ）。

圖 1. 帶有探測(cè)信號(hào)的雙脈沖測(cè)試示意圖。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

可以在開關(guān)節(jié)點(diǎn)處施加接地電位而不是低端晶體管的源極電位，因此對(duì)高端測(cè)量的要求與對(duì)低端測(cè)量的要求相對(duì)應(yīng)。然而，同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)階段是有利的。因此，本文不討論這種替代方法。

測(cè)量高邊信號(hào)比測(cè)量低邊信號(hào)更難。在下一節(jié)中，將比較需求。

探測(cè)要求概述

這些要求針對(duì)的是在最大 80% 的額定電壓 （1.36 kV） 下測(cè)試的 1.7 kV SiC 模塊，測(cè)試電流高達(dá) 1000 A。

帶寬

轉(zhuǎn)換時(shí)間為 8 ns 的晶體管需要 90 MHz 的帶寬 （BW）。對(duì)于典型環(huán)路電感為 30 nH 和輸出電容為 60 pF 的振鈴測(cè)量，所需的帶寬為 120 MHz。所需的 BW 不包括用于電流測(cè)量的 Rogowski 線圈和 Pearson 探頭。

隔離

低端測(cè)量的隔離要求不是很嚴(yán)格。分流器通常處于地電位。因此，在測(cè)量 4 引腳晶體管時(shí)，在開關(guān)操作期間，開爾文檢測(cè)引腳和源極引腳之間會(huì)出現(xiàn)電壓尖峰。V DS和 V GS是根據(jù) Kelvin sense 測(cè)量的，這需要一些隔離。電壓尖峰通常在 10 V 至 50 V 范圍內(nèi)，可以根據(jù)源電感 L S 和電流壓擺率 didtdidt 計(jì)算：

V=LS?didtV=LS?didt高端測(cè)量的隔離要求要嚴(yán)格得多。在測(cè)試期間，高端信號(hào)可能接近地電位，但也可能處于電源電壓。因此，在本例中，隔離要求至少為 1.36 kV。對(duì)于振鈴，30% 的余量是合適的。這導(dǎo)致所有高側(cè)測(cè)量的絕緣要求為 1.8 kV。更高的測(cè)試電壓需要更高的值。

共模范圍

共模 （CM） 要求類似于隔離要求。對(duì)于低側(cè)信號(hào)，CM 瞬態(tài)通常在 10 V 至 50 V 范圍內(nèi)。就CM范圍而言，高邊信號(hào)可分為兩組。第一組由V DS和ID組成。對(duì)于這些信號(hào)，要求并不高，因?yàn)檫@些信號(hào)可以參考高邊晶體管的漏極電位來測(cè)量。設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)具有大容量電容，使電源電壓非常穩(wěn)定。微小的變化，如 5 %（本例中為 68 V）的電源電壓在脈沖期間非常緩慢地發(fā)生（例如在 50 μs 內(nèi)）。

第二組高端信號(hào)是柵極信號(hào)。這些信號(hào)以高邊晶體管的開爾文檢測(cè)或源極引腳為參考。這些引腳位于開關(guān)節(jié)點(diǎn)，因此電壓變化與電源電壓大致相同。過渡時(shí)間內(nèi)的變化非?？?，例如10 ns內(nèi)達(dá)到1.36 kV，這在測(cè)量質(zhì)量方面是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

共模抑制比

對(duì)于電壓測(cè)量，應(yīng)測(cè)量差分電壓。然而，CM 信號(hào)也會(huì)導(dǎo)致干擾測(cè)量信號(hào)。對(duì)于不同的 CM 抑制比，可以很容易地計(jì)算出由 CM 信號(hào)引起的無用電壓，參見表 1。需要注意的是，探頭的 CMRR 很大程度上取決于頻率。一般而言，共模抑制比 （CMRR） 會(huì)隨頻率降低。

表 1. 多個(gè) CMRR 的 CM 信號(hào)測(cè)量電壓。

探頭的 CMRR 在引入 CM 的頻率范圍內(nèi)必須足夠高。

如前所述，低端信號(hào)的 CM 電壓很小（例如 50 V）并且僅在開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)。對(duì)于帶分流器的低壓側(cè)測(cè)量，不引入 CM。對(duì)于其他信號(hào)，CM 測(cè)量的影響理想地小于測(cè)量系統(tǒng)的有效分辨率。對(duì)于門信號(hào)，典型測(cè)量范圍為 40 V，目標(biāo)值為 10 位，分辨率為 39 mV。該表顯示大約 60 dB 就足夠了。對(duì)于測(cè)量的信號(hào)，因此范圍要大得多，例如。例如，1.8 kV，導(dǎo)致分辨率為 1.76 V。30 dB 的 CMRR 就足夠了。對(duì)于兩個(gè)低端信號(hào)，CM 信號(hào)都具有高頻分量，這使得必須在大頻譜上具有高 CMRR。

對(duì)于高端信號(hào)，情況再次變得更加復(fù)雜。對(duì)于第一組可參考漏極電位的信號(hào)，CM 信號(hào)較小。對(duì)于 V DS而言，40 dB 的 CMRR 就足夠了。I D通常僅導(dǎo)致示波器測(cè)量的電壓非常小，約為 500 mV 至 5 V。因此，CMRR 要求更為嚴(yán)格。使用與之前相同的有效位數(shù) （ENOB） 會(huì)導(dǎo)致 100 dB 的 CMRR 要求。請(qǐng)注意，對(duì)于 V DS和 I D，CMRR 要求僅適用于較低頻率，例如 1 MHz。

就 CMRR 而言，高端柵極信號(hào)通常是最難測(cè)量的。在這種情況下，CM 是帶有高頻分量的電源電壓，測(cè)量范圍通常只有 40 V。這導(dǎo)致分辨率為 36.5 mV，因此 》90 dB 是寬頻率范圍的理想選擇。

請(qǐng)注意，高于上述的 CMRR 不會(huì)導(dǎo)致更高的測(cè)量精度。

噪音

噪聲性能是大多數(shù)商用高 CMRR 探頭的弱點(diǎn)。一般來說，噪音越低越好。對(duì)于 I D測(cè)量尤其如此，因?yàn)闇y(cè)量的電壓非常小。分流值應(yīng)選擇盡可能小，以盡量減少電路影響，但由于噪聲存在下限。個(gè)位數(shù)的 mV rms 值很好。對(duì)于 V DS，噪聲不是問題，因?yàn)榭梢允褂贸Ｒ姷?a target="_blank">高壓差分探頭，并且噪聲要求很低。柵極信號(hào)通常介于兩者之間，典型測(cè)量范圍為 40 V。一個(gè)重要參數(shù)是 10 % 柵極電壓時(shí)間和 20 VV GS，必須能夠非常準(zhǔn)確地測(cè)量 2 V。噪聲必須遠(yuǎn)小于測(cè)量電壓，因此 《30 mV rms 是理想的。商用高 CMRR 探頭在這樣的范圍內(nèi)引入了大約 200 mV rms 的噪聲，這使得找到正確的時(shí)序變得困難。圖 2 比較了商用高 CMRR 探頭和低噪聲高 CMRR 解決方案之間的噪聲性能。

表 2. 探頭要求總結(jié)。

探頭負(fù)載

電容探頭負(fù)載必須非常小，以使測(cè)量信號(hào)不會(huì)受到顯著影響。典型的 SiC 晶體管的輸入電容在個(gè)位數(shù) nF 范圍內(nèi)，輸出電容約為 100 pF。因此，V DS （個(gè)位數(shù) pF）的負(fù)載要求比 VGS （兩位數(shù) pF 可以接受） 更嚴(yán)格。

圖 2. 商用探頭（黃色）和真脈沖隔離探頭解決方案（藍(lán)色）的噪聲比較。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

表 2 顯示了測(cè)量 1.7 kV SiC 模塊的探頭要求。

結(jié)論

高邊探測(cè)為動(dòng)態(tài)功率器件分析儀帶來了新問題。是信號(hào)中問題最少的，因?yàn)榭梢酝ㄟ^ Keysight DP0001A 等高端高壓差分探頭滿足要求。由于噪聲要求非常嚴(yán)格，因此不能使用此探頭。商用 Rogowski 線圈或 Pearson 探頭不滿足 BW 要求。商用探頭無法滿足對(duì)柵極信號(hào)的嚴(yán)格要求，例如大頻率范圍內(nèi)的高 CMRR 要求和嚴(yán)格的噪聲要求。Keysight PD1550A 引入了真正的脈沖隔離探頭解決方案，可滿足低噪聲和高 CMRR 要求，同時(shí)保持隔離和帶寬要求。