引言

在汽車和工業(yè)應(yīng)用中，由于硅基半導(dǎo)體性能的局限性， 功率電子中使用的半導(dǎo)體材料正逐漸從硅過(guò)渡到如碳 化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）這類寬禁帶半導(dǎo)體。GaN 和SiC 支持更小、更快、更高效的設(shè)計(jì)。規(guī)制和經(jīng)濟(jì)壓 力持續(xù)促使高壓功率電子設(shè)計(jì)的效率提高。在空間受限 和/ 或移動(dòng)應(yīng)用（例如電動(dòng)汽車）中，更小、更輕的設(shè)計(jì) 的功率密度優(yōu)勢(shì)尤為明顯，而從系統(tǒng)成本降低的角度來(lái) 看，更緊湊的功率電子設(shè)備也普遍受到青睞。同時(shí)，隨著 政府推出財(cái)政激勵(lì)措施和更嚴(yán)格的能效規(guī)定，效率的重 要性日益增長(zhǎng)。例如，歐盟的Eco-design 指令、美國(guó)能 源部2016 年效率標(biāo)準(zhǔn)、中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心（CQC）標(biāo)志 等全球?qū)嶓w發(fā)布的指南，都在管理電氣產(chǎn)品和設(shè)備的能 效要求。從電力生成到消耗的各個(gè)階段，功率電子都需 要實(shí)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(gè)階段運(yùn)作，由于這些操作沒(méi)有一個(gè) 是100% 高效的，因此每一步都會(huì)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(gè)周期中不 斷加劇.

然而，開(kāi)關(guān)損耗是不可避免的。因此，目標(biāo)是通過(guò)設(shè)計(jì) 優(yōu)化來(lái)最小化損失。與效率相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)必須經(jīng)過(guò)嚴(yán) 格的測(cè)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(kāi)關(guān)設(shè)備如MOSFET 或IGBT 上。

理想情況下，開(kāi)關(guān)設(shè)備只有“開(kāi)"或“關(guān)"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(kāi)"狀態(tài)時(shí)， 開(kāi)關(guān)的阻抗為零歐姆，無(wú)論通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流有多大，都不 會(huì)在開(kāi)關(guān)中耗散任何功率。在“關(guān)"狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)的阻抗 為無(wú)限大，無(wú)電流流過(guò)，因此不耗散任何功率。 然而，實(shí)際上在“開(kāi)"到“關(guān)"（關(guān)斷）和“關(guān)"到“開(kāi)"（開(kāi) 通）的轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)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(huì)減緩器件的切換速度，延長(zhǎng)開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間。MOSFET 的漏極和源極之間的寄生電阻在漏電流流動(dòng)時(shí)會(huì)耗散功 率。

還需要考慮MOSFET 體二極管的反向恢復(fù)損失。二極 管的反向恢復(fù)時(shí)間是衡量二極管切換速度的一個(gè)指標(biāo)， 因此會(huì)影響轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的切換損失。

因此，設(shè)計(jì)工程師需要測(cè)量所有這些時(shí)間參數(shù)，以盡量 減少切換損失，從而設(shè)計(jì)出更高效的轉(zhuǎn)換器。

什么是雙脈沖測(cè)試？

雙脈沖測(cè)試是一種測(cè)量功率設(shè)備的切換參數(shù)和評(píng)估動(dòng)態(tài) 行為的方法。使用這種應(yīng)用的用戶通常希望測(cè)量以下切換 參數(shù)：

• 開(kāi)通參數(shù)：開(kāi)通延遲（t d(on)）、上升時(shí)間（tr）、開(kāi)通時(shí)間（t on）、 開(kāi)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(guān)斷參數(shù)：關(guān)斷延遲（td(off )）、下降時(shí)間（tf）、關(guān)斷時(shí) 間（toff）、關(guān)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(fù)參數(shù)：反向恢復(fù)時(shí)間（trr）、反向恢復(fù)電流（Irr）、 反向恢復(fù)電荷（Qrr）、反向恢復(fù)能量（Err）、電流變化率（di / dt）和正向?qū)妷海╒sd）。

此測(cè)試的執(zhí)行目的是：

• 保證像MOSFET 和IGBT 這類功率設(shè)備的規(guī)格。

• 確認(rèn)功率設(shè)備或功率模塊的實(shí)際值或偏差。

• 在各種負(fù)載條件下測(cè)量這些切換參數(shù)，并驗(yàn)證多個(gè)設(shè)備的 性能。

• 第一步，由第一次開(kāi)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(dá)到圖8 所示的所需 測(cè)試電流（Id）。

• 第二步（2）是關(guān)閉第一個(gè)脈沖，這在自由輪二極管中產(chǎn) 生電流。關(guān)斷周期很短，以保持電感中的負(fù)載電流盡可能 接近恒定值。圖8 顯示低側(cè)MOSFET 上的Id 在第二步 歸零；然而，電流通過(guò)電感和高側(cè)二極管流動(dòng)。這可以在 圖6 和圖7 中看到，電流通過(guò)高側(cè)MOSFET（未被開(kāi)通的 MOSFET）的二極管流動(dòng)。

• 第三步（3）由第二次開(kāi)通脈沖代表。脈沖寬度比第一次脈 沖短，以防設(shè)備過(guò)熱。第二個(gè)脈沖需要足夠長(zhǎng)，以便進(jìn)行 測(cè)量。圖8 中看到的電流超調(diào)是由于高側(cè)MOSFET/IGBT 的自由輪二極管反向恢復(fù)所致。

• 然后在第一次脈沖的關(guān)斷和第二次脈沖的開(kāi)通時(shí)捕獲關(guān) 斷和開(kāi)通時(shí)間測(cè)量。

下一部分將討論測(cè)試設(shè)置和測(cè)量方式。

雙脈沖測(cè)試設(shè)置

圖9 展示了進(jìn)行雙脈沖測(cè)試的設(shè)備設(shè)置。需要以下設(shè)備：

• AFG31000：連接到隔離門驅(qū)動(dòng)器，并使用設(shè)備上的雙脈 沖測(cè)試應(yīng)用快速生成不同脈寬的脈沖。隔離門驅(qū)動(dòng)器用于 開(kāi)通MOSFET。

• 示波器：4/5/6 系列MSO（此設(shè)置使用Tektronix 5 系列 MSO）：測(cè)量VDS、VGS 和ID。

• 示波器上的雙脈沖測(cè)試軟件：4/5/6 系列MSO 上的Opt. WBG-DPT，用于自動(dòng)化測(cè)量。

• 用于低側(cè)設(shè)備和高側(cè)二極管反向恢復(fù)的探頭：

  低側(cè)探測(cè)：

  高側(cè)探測(cè)：

• – 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(dòng)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(yīng)用

雙脈沖測(cè)試應(yīng)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(diǎn)，因?yàn)閯?chuàng)建具有不同脈寬的脈沖的 方法耗時(shí)。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(shí)間的微控 制器。AFG31000 上的雙脈沖測(cè)試應(yīng)用使得用戶能夠直接從前端顯示屏進(jìn)行操作。該應(yīng)用直觀且快速設(shè)置。第一個(gè) 脈寬調(diào)整以獲得所需的開(kāi)關(guān)電流值。第二個(gè)脈沖也可以獨(dú)立于第一個(gè)脈沖進(jìn)行調(diào)整，通常比第一個(gè)脈沖短，以防止功 率設(shè)備被破壞。用戶還可以定義每個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔。

圖11展示了雙脈沖測(cè)試應(yīng)用窗口。在這里，用戶可以設(shè)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(dòng)、外部或定時(shí)器

• 負(fù)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(dòng)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(cè)，Q1 是高側(cè)。

• Q1 的門和源需要短接，因?yàn)镼1 不會(huì)被打開(kāi)。

• Q2 的門電阻已焊接。R = 100Ω。

• AF31000 的CH1 連接到評(píng)估板上的PWM_L 和GND 輸 入。

• 凱斯利電源連接到評(píng)估板上的Vcc 和GND 輸入，為門驅(qū) 動(dòng)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(cè)試測(cè)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(cè)MOSFET）。

• 一個(gè)被動(dòng)探頭連接到VGS。

• 差分電壓探頭連接到VDS。

• TCP0030A 電流探頭通過(guò) MOSFET源引腳上的環(huán)路。

  4/5/6 系列MSO 上的雙脈沖測(cè)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(cè)MOSFET/IGBT 的自由 輪二極管的反向恢復(fù)。這個(gè)尖峰是被使用設(shè)備的固有特性，并將導(dǎo)致?lián)p耗。

展示了在示波器上捕獲的波形和開(kāi)通參數(shù)的測(cè)量。 在示波器上，啟動(dòng)WBG-DPT 應(yīng)用。選擇功率設(shè)備類型 為MOSFET。配置VDS、ID和VGS 源。

轉(zhuǎn)到開(kāi)關(guān)定時(shí)分析組。添加Td(on)、Td(off)、Tr 和Tf 測(cè)量。

配置Td(on) 測(cè)量，點(diǎn)擊預(yù)設(shè)。這將示波器設(shè)置為單次采集。

開(kāi)啟電源。

開(kāi)啟AFG31000 以產(chǎn)生輸出脈沖。