功率半導(dǎo)體器件的雙脈沖測(cè)試方案

■引言

我們將高功率SiC器件定義為處理1kV和100A范圍內(nèi)的器件，這相當(dāng)于100kW的功率。SiC晶體管處理和服務(wù)的高電壓、高電流和快速開關(guān)系統(tǒng)的性質(zhì)帶來了許多在普通5V或12V系統(tǒng)中不會(huì)出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。例如：

■100A量級(jí)的電流會(huì)將印刷電路板 (PCB) 導(dǎo)線暴露為寄生電阻元件，從而產(chǎn)生顯著的IR壓降。

■1000V量級(jí)的電壓會(huì)使微小的寄生電容儲(chǔ)存大量電荷，從而在開關(guān)操作中導(dǎo)致顯著的功率損耗。

■SiC器件的快速開關(guān)能力使所有導(dǎo)體元件表現(xiàn)為寄生電感元件，從而在開關(guān)操作中引發(fā)不必要的反電勢(shì)電壓突波。

■根據(jù)Maxwell的理論，快速開關(guān)的電容器和電感器會(huì)產(chǎn)生電磁活動(dòng)，例如EMI/EMC。

■高功率測(cè)量需要使用體積較大的探頭和堅(jiān)固的電纜進(jìn)行穩(wěn)固的探測(cè)，但上述挑戰(zhàn)要求連接長(zhǎng)度盡可能短。此外，處理這些龐大的探頭和電纜時(shí)，還需注意安全，以避免短路事件或損壞。因此，測(cè)試設(shè)置必須保持整潔和簡(jiǎn)化。

■上述反電勢(shì)電壓突波輕松達(dá)到50V至60V，這超出了大多數(shù)測(cè)量設(shè)備從地面測(cè)量的最大允許峰值電壓限制。這使得在測(cè)試設(shè)置中選擇合適的“測(cè)量接地平面”變得更加困難。

SiC器件的快速開關(guān)特性包括高頻率，要求測(cè)量信號(hào)的精度至少達(dá)到100MHz或更高帶寬 (BW)，這需要使用額定500MHz或更高頻率的示波器和探頭。在本文中，寬禁帶功率器件供應(yīng)商Qorvo與Tektronix合作，基于實(shí)際的SiC被測(cè)器件 (DUT)，描述了實(shí)用的解決方案。

雙脈沖測(cè)試 (DPT) 概述

為了完全驗(yàn)證基于SiC或GaN的寬禁帶 (WBG) 器件，需要進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量。測(cè)量WBG器件的開關(guān)參數(shù)和二極管反向恢復(fù)參數(shù)的首選測(cè)試方法是雙脈沖測(cè)試 (DPT)。

雙脈沖測(cè)試是一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，用于在被測(cè)器件 (DUT) 的開啟、關(guān)閉以及反向恢復(fù)過程中測(cè)量一系列重要參數(shù)?；緶y(cè)試設(shè)置如圖2所示。假設(shè)高側(cè)和低側(cè)使用相同的晶體管器件，高側(cè)晶體管可以保持關(guān)閉狀態(tài)，從而可以測(cè)量開關(guān)損耗和反向恢復(fù)損耗。為了確定電路中的DPT開關(guān)參數(shù)，需要觀察低側(cè)器件的 VDS、ID和VGS。二極管的反向恢復(fù)參數(shù)則通過測(cè)量高側(cè)器件的ID和VDS來確定。DPT設(shè)置必須向隔離柵極驅(qū)動(dòng)器生成至少兩個(gè)不同脈寬的脈沖，以觸發(fā) FET 或IGBT并控制電流的導(dǎo)通。這些脈沖可以通過任意波形發(fā)生器 (AFG) 生成。圖2是簡(jiǎn)化的示意圖，未顯示柵極驅(qū)動(dòng)器。在實(shí)際應(yīng)用中，AFG通常會(huì)連接隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，如圖4所示。圖3展示了DPT波形的示例。

圖2：在低側(cè)DPT測(cè)試中，高側(cè)FET關(guān)閉，低側(cè)FET開關(guān)。此簡(jiǎn)化設(shè)置展示了信號(hào)流的基本情況。在實(shí)際測(cè)試設(shè)置中，功能發(fā)生器會(huì)驅(qū)動(dòng)一個(gè)隔離柵極驅(qū)動(dòng)器（詳見圖4的詳細(xì)電路）。

圖 3：FET或雙極晶體管測(cè)試的概念性DPT波形。左側(cè)顯示低側(cè)柵極信號(hào)。在第一階段，DUT導(dǎo)通，電流（右圖紅色部分）通過電感器建立；在第二階段，DUT關(guān)閉；在第三階段，DUT再次導(dǎo)通——電流出現(xiàn)瞬時(shí)尖峰，因?yàn)楦邆?cè)二極管的電流發(fā)生反向，然后電流通過電感器繼續(xù)增加，直到DUT再次關(guān)閉。

Qorvo的測(cè)試設(shè)置

在對(duì)100kW范圍內(nèi)的DUT進(jìn)行測(cè)試時(shí)，我們最關(guān)心的是操作人員在執(zhí)行DPT測(cè)量時(shí)的安全。在建立可重復(fù)、可靠的DPT電路板和設(shè)置之前，驗(yàn)證概念原型時(shí)的安全措施尤為重要。最有效的安全策略是通過移除如電纜和探頭頭部等雜亂元件，保持測(cè)試設(shè)置簡(jiǎn)潔。

作為6系列MSO示波器的用戶，Qorvo發(fā)現(xiàn)幾乎所有必要的測(cè)量都可以通過6系列MSO和安裝的AFG選件完成。簡(jiǎn)而言之，6系列MSO的內(nèi)置AFG可以從其后面板生成雙脈沖，同時(shí)其輸入端的探頭可以收集信號(hào)信息。

圖4：DPT設(shè)置，Qorvo的方法。隔離高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器的輸入接地，并向高側(cè)FET提供-3V電壓以保持其關(guān)閉。低側(cè)隔離柵極驅(qū)動(dòng)器由示波器的 AFG 輸出提供信號(hào)，控制低側(cè)FET的開啟（+15V）和關(guān)閉（-3V）。TIVP1 IsoVu光學(xué)隔離探頭直接連接到電流觀測(cè)電阻 (CVR)，以盡可能減少電氣布線的方式測(cè)量ID-LOW引起的電壓降。

圖5：Qorvo測(cè)試設(shè)置的照片，放置在防護(hù)箱中。

使用6系列MSO DPT設(shè)置的優(yōu)勢(shì)

采用建議的6系列MSO DPT設(shè)置的優(yōu)勢(shì)包括：

?輕松識(shí)別測(cè)量接地：

6系列MSO內(nèi)部的所有接地都連接到底盤（地球）接地，包括：

- AFG輸出BNC電纜接地

- 任何非隔離探頭的接地（屏蔽/引線）

?簡(jiǎn)化布線/電纜連接

?通過PC進(jìn)行全遠(yuǎn)程控制：

6系列MSO可以通過PC完全遠(yuǎn)程控制，這不僅使探頭電纜保持較短，還允許測(cè)試工程師在高能量測(cè)試過程中與測(cè)試系統(tǒng)保持安全距離。

為了完成測(cè)量設(shè)置并利用6系列MSO的AFG選件，必須開發(fā)一種方法，在AFG上生成DPT柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

使用任意波形作為柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)

本應(yīng)用筆記提供了一種編程方法，通過6系列MSO的內(nèi)置AFG自動(dòng)生成柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。建議使用這種自動(dòng)化方法以提升速度、靈活性和可重復(fù)性。然而，為了理解程序操作過程，回顧手動(dòng)操作步驟及其對(duì)應(yīng)的儀器命令仍然很有價(jià)值。

定義DPT信號(hào)時(shí), 需要兩個(gè)不同脈寬的脈沖

第一個(gè)較長(zhǎng)的脈沖為線圈充電至目標(biāo)電流。

第二個(gè)較短的脈沖在線圈電流衰減之前啟用導(dǎo)通測(cè)量。

要在AFG上生成此類信號(hào)，可定義一個(gè)具有正確脈沖寬度的自定義波形。該自定義波形需以Tektronix的“.wfm”或“.csv”格式保存，可通過Microsoft Excel等電子表格軟件構(gòu)建。通過指定時(shí)間和電壓對(duì)（X,Y）構(gòu)建分段線性數(shù)據(jù)格式，并將文件保存為“.csv”文件。

6系列MSO的AFG選件可發(fā)送指定重復(fù)次數(shù)的突發(fā)序列。從前面板操作時(shí)，可通過AFG輸出控制選擇突發(fā)模式，并設(shè)置周期數(shù)。在此案例中，我們將使用AFG的任意波形功能定義完整的DPT柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)（見圖6），并設(shè)置突發(fā)模式以輸出1個(gè)信號(hào)周期。

要配置AFG使用自定義波形，必須將波形類型設(shè)置為“任意”，并選擇為測(cè)試定義的自定義波形文件。高電平和低電平以及周期可根據(jù)具體測(cè)試進(jìn)行調(diào)整。

盡管可以手動(dòng)執(zhí)行這些操作，但手動(dòng)調(diào)整脈沖寬度和加載自定義波形文件非常不便。Qorvo開發(fā)的一款程序極大地簡(jiǎn)化了波形規(guī)范和AFG設(shè)置。

圖6：AFG設(shè)置對(duì)話框。對(duì)于DPT，使用任意波形提供柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

將示波器連接到PC

為了增加測(cè)試設(shè)置與操作員之間的物理距離并提高安全性，可以通過以太網(wǎng)LAN或USB將6系列MSO連接到PC。（請(qǐng)注意，在某些IT環(huán)境中，可能需要一個(gè)以太網(wǎng)路由器來定義一個(gè)小型隔離局域網(wǎng)。）

通過LAN連接時(shí)，未安裝Windows的6系列MSO可通過e*Scope Web服務(wù)器輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。安裝了 Windows 的儀器可以通過遠(yuǎn)程桌面進(jìn)行控制。除了這種遠(yuǎn)程控制功能外，LAN連接還可用于上傳本文檔中介紹的“.csv”文件到示波器，并生成DPT信號(hào)。

6系列MSO還可以通過USB通信，本文中介紹的DPT程序也可以通過USB使用。然而，通過USB無法使用e*Scope遠(yuǎn)程接口。以下部分提供了使用LAN和USB的示例。

DPT程序使用PyVISA Python庫，該庫支持大多數(shù)儀器接口。因此，可以將代碼調(diào)整為通過RS-232或GPIB等其他接口支持其他儀器。

實(shí)際測(cè)試運(yùn)行示例及測(cè)量

在實(shí)際DUT上執(zhí)行DPT程序的過程中所有6系列MSO的屏幕截圖均來自使用Qorvo的DPT測(cè)試板作為DUT的測(cè)試。DUT和DPT設(shè)置的相關(guān)信息如下：

■DUT：Qorvo的1200V SiC共源極器件

■柵極驅(qū)動(dòng)：+15V和-3V，雙極性驅(qū)動(dòng)

■DC電源母線電壓：500 V

■電感器：300mH手工纏繞線圈

■高側(cè)FET：不驅(qū)動(dòng)，保持二極管導(dǎo)通模式

■通道配置：

- CH1：使用TPP1000探頭通過MMCX SMD連接器測(cè)量柵極-源極電壓

- CH2：通過5mΩ電流測(cè)量電阻(CVR)和TIVP1 IsoVu 1 GHz光學(xué)隔離電壓探頭測(cè)量漏極電流

- CH3：使用THDP0100高電壓差分探頭（6kV范圍）測(cè)量漏極-源極電壓

- CH4：通過Rogowski電流探頭測(cè)量線圈電流

圖13：技術(shù)細(xì)節(jié)的DPT示例。

運(yùn)行帶有參數(shù) “1 55 0.5 0.5 0.5 0.5”的程序后，如圖13所示，AFG加載完成并準(zhǔn)備進(jìn)行三脈沖測(cè)試。

圖14: 程序運(yùn)行后的AFG對(duì)話框，顯示由程序配置的設(shè)置

在圖14中的對(duì)話框中，我們可以確認(rèn)程序設(shè)置了以下參數(shù)（從左上到右下）：

■突發(fā)模式：已選擇

■突發(fā)計(jì)數(shù)：設(shè)置為1

■任意波形：已選擇

■臨時(shí)CSV文件：已選擇

■周期：設(shè)置為57.2微秒（儀器計(jì)算的頻率為17.48kHz）。57.2微秒的周期由以下部分構(gòu)成：

- 0.1微秒的起始時(shí)間（關(guān)閉）

- 55微秒的第一個(gè)脈沖寬度

- 0.5微秒的第一個(gè)關(guān)閉時(shí)間

- 0.5微秒的第二個(gè)脈沖寬度

- 0.5微秒的第二個(gè)關(guān)閉時(shí)間

- 0.5微秒的第三個(gè)脈沖寬度

- 0.1微秒的結(jié)束時(shí)間（關(guān)閉）

■高電平和低電平：分別設(shè)置為5V和0V（儀器計(jì)算的振幅為5Vpp，偏置為2.5V）。

■負(fù)載阻抗：設(shè)置為高阻抗（High Z）。

■無添加噪聲

圖15：放大后的波形顯示三脈沖DPT的結(jié)果。使用6系列MSO上的WBG-DPT軟件計(jì)算的VDS_peak、ID_peak、EON和EOFF測(cè)量值顯示在測(cè)量標(biāo)牌中。

需要注意的是，為了獲得準(zhǔn)確的能量損耗測(cè)量結(jié)果，必須消除電流和電壓探頭之間的偏移（去偏）。這一操作已在圖15所示的測(cè)試運(yùn)行之前完成。

VDS_peak、ID_peak、EON和EOFF測(cè)量值是通過6系列MSO的WBG-DPT雙脈沖測(cè)量軟件包完成的（下一節(jié)會(huì)詳細(xì)介紹）。

最重要的是，我們可以看到Qorvo的DUT在1MHz PWM開關(guān)頻率下硬開關(guān)了100A 電流，并保持了干凈的方波脈沖形狀。

自動(dòng)化DPT測(cè)量

在完成系統(tǒng)配置后，需要考慮實(shí)際的開關(guān)測(cè)量。如圖15所示的能量損耗測(cè)量可以通過示波器上的數(shù)學(xué)功能定義。然而，圖15中顯示的測(cè)量結(jié)果是使用6系列MSO上的WBG-DPT雙脈沖測(cè)試軟件完成的。該自動(dòng)化DPT測(cè)試軟件包符合JEDEC和IEC標(biāo)準(zhǔn)，適用于SiC/GaN MOSFET等寬禁帶 (WBG) 器件以及 IGBT 的 DPT 測(cè)試。

此外，Tektronix和Keithley提供獨(dú)立的任意波形發(fā)生器和直流電源，以補(bǔ)充雙脈沖測(cè)試的完整解決方案。

圖16：適用于4/5/6系列MSO的WBG-DPT選項(xiàng)，可自動(dòng)化雙脈沖測(cè)試的測(cè)量，包括開關(guān)參數(shù)、時(shí)間、二極管恢復(fù)和電容分析。

圖17：WBG-DPT軟件包自動(dòng)設(shè)置功率波形和積分，以提供能量損耗測(cè)量，例如圖中詳細(xì)顯示的EON測(cè)量值。

總結(jié)

正如本應(yīng)用筆記中所示，5系列或6系列MSO的內(nèi)部AFG可用于生成雙脈沖信號(hào)，同時(shí)示波器采集信號(hào)。專門設(shè)計(jì)的雙脈沖測(cè)試軟件 (WBG-DPT) 有助于簡(jiǎn)化關(guān)鍵測(cè)量過程，利用示波器的內(nèi)部AFG生成雙脈沖柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，為雙脈沖測(cè)試提供了有效的解決方案。這種方法簡(jiǎn)化了雙脈沖測(cè)試并降低了系統(tǒng)成本，同時(shí)減少了接地點(diǎn)的數(shù)量。此外，測(cè)試可以完全通過遠(yuǎn)程控制進(jìn)行，這使得工程師能夠在高電壓、高電流的DUT環(huán)境下與測(cè)試系統(tǒng)保持安全距離。