功率半导体双脉冲 测试分析

引言

在汽车和工业应用中，由于硅基半导体性能的局限性， 功率电子中使用的半导体材料正逐渐从硅过渡到如碳 化硅（SiC）和氮化镓（GaN）这类宽禁带半导体。GaN 和SiC 支持更小、更快、更高效的设计。规制和经济压 力持续促使高压功率电子设计的效率提高。在空间受限 和/ 或移动应用（例如电动汽车）中，更小、更轻的设计 的功率密度优势尤为明显，而从系统成本降低的角度来 看，更紧凑的功率电子设备也普遍受到青睐。同时，随着 政府推出财政激励措施和更严格的能效规定，效率的重 要性日益增长。例如，欧盟的Eco-design 指令、美国能 源部2016 年效率标准、中国质量认证中心（CQC）标志 等全球实体发布的指南，都在管理电气产品和设备的能 效要求。从电力生成到消耗的各个阶段，功率电子都需 要实现更高的能效，如图1 所示。功率转换器在生成、 传输和消耗链的多个阶段运作，由于这些操作没有一个 是100% 高效的，因此每一步都会有一些功率损失。主 要由于热能损失，这些效率的整体下降在整个周期中不 断加剧。

设计功率转换器时，理想状态下的功率损失为0%，如图2 所示。

然而，开关损耗是不可避免的。因此，目标是通过设计 优化来最小化损失。与效率相关的设计参数必须经过严 格的测量。 典型的转换器效率约为87% 到90%，这意味着10% 到 13% 的输入功率在转换器内部消耗掉，大部分以废热的 形式。这种损失的一大部分发生在开关设备如MOSFET 或IGBT 上。[2]

理想情况下，开关设备只有“开”或“关”两种状态，如 图3 所示，并能瞬间在这两种状态间切换。在“开”状态时， 开关的阻抗为零欧姆，无论通过开关的电流有多大，都不 会在开关中耗散任何功率。在“关”状态时，开关的阻抗 为无限大，无电流流过，因此不耗散任何功率。 然而，实际上在“开”到“关”（关断）和“关”到“开”（开 通）的转换过程中会耗散功率。这些非理想行为是由于电 路中的寄生元件造成的。如图4 所示，门极上的寄生电容 会减缓器件的切换速度，延长开通和关断时间。MOSFET 的漏极和源极之间的寄生电阻在漏电流流动时会耗散功 率。

还需要考虑MOSFET 体二极管的反向恢复损失。二极 管的反向恢复时间是衡量二极管切换速度的一个指标， 因此会影响转换器设计中的切换损失。

因此，设计工程师需要测量所有这些时间参数，以尽量 减少切换损失，从而设计出更高效的转换器。

首选的测试方法来测量MOSFET 或IGBT 的切换参数 是“双脉冲测试”方法。本应用说明将描述双脉冲测试 及其实施方式。具体来说，本应用说明将解释如何使用 Tektronix AFG31000 任意函数发生器生成脉冲，并使 用4、5 或6 系列MSO 示波器测量重要参数。

什么是双脉冲测试？

双脉冲测试是一种测量功率设备的切换参数和评估动态 行为的方法。使用这种应用的用户通常希望测量以下切换 参数：

• 开通参数：开通延迟（t d(on)）、上升时间（tr）、开通时间（t on）、 开通能量（Eon）、电压变化率（dv/dt）和电流变化率（di/ dt）。然后确定能量损失。
• 关断参数：关断延迟（td(off )）、下降时间（tf）、关断时 间（toff）、关断能量（Eoff）、电压变化率（dv/dt）和电 流变化率（di/dt）。然后确定能量损失。
• 反向恢复参数：反向恢复时间（trr）、反向恢复电流（Irr）、 反向恢复电荷（Qrr）、反向恢复能量（Err）、电流变化率（di / dt）和正向导通电压（Vsd）。

此测试的执行目的是：

• 保证像MOSFET 和IGBT 这类功率设备的规格。
• 确认功率设备或功率模块的实际值或偏差。
• 在各种负载条件下测量这些切换参数，并验证多个设备的 性能。

图5 展示了一个典型的双脉冲测试电路。

该测试使用感应负载和电源进行。电感用于复制转 换器设计中的电路条件。电源用于向电感提供电压。 AFG31000 用于输出脉冲，这些脉冲触发MOSFET 的 门极，从而使其开启并开始导电。

图6 展示了使用MOSFET 进行双脉冲测试时不同阶段 的电流流向。使用IGBT 作为待测设备时的电流流向如 图7 所示。

图8 展示了在低侧MOSFET 或IGBT 上取得的典型测量数据。以下是双脉冲测试的不同阶段（这些阶段对应图6、 图7 和图8）

• 第一步，由第一次开通脉冲代表，是初始调整的脉宽。这 建立了电感中的电流。调整此脉冲以达到图8 所示的所需 测试电流（Id）。
• 第二步（2）是关闭第一个脉冲，这在自由轮二极管中产 生电流。关断周期很短，以保持电感中的负载电流尽可能 接近恒定值。图8 显示低侧MOSFET 上的Id 在第二步 归零；然而，电流通过电感和高侧二极管流动。这可以在 图6 和图7 中看到，电流通过高侧MOSFET（未被开通的 MOSFET）的二极管流动。
• 第三步（3）由第二次开通脉冲代表。脉冲宽度比第一次脉 冲短，以防设备过热。第二个脉冲需要足够长，以便进行 测量。图8 中看到的电流超调是由于高侧MOSFET/IGBT 的自由轮二极管反向恢复所致。
• 然后在第一次脉冲的关断和第二次脉冲的开通时捕获关 断和开通时间测量。

下一部分将讨论测试设置和测量方式。

双脉冲测试设置

图9 展示了进行双脉冲测试的设备设置。需要以下设备：

• AFG31000：连接到隔离门驱动器，并使用设备上的双脉 冲测试应用快速生成不同脉宽的脉冲。隔离门驱动器用于 开通MOSFET。
• 示波器：4/5/6 系列MSO（此设置使用Tektronix 5 系列 MSO）：测量VDS、VGS 和ID。
• 示波器上的双脉冲测试软件：4/5/6 系列MSO 上的Opt. WBG-DPT，用于自动化测量。
• 用于低侧设备和高侧二极管反向恢复的探头：

  低侧探测：

  • – Ch1：VDS - TPP 系列或THDP/TMDP 系列电压探头
  • – Ch2：VGS - TPP 系列或带MMCX 适配器尖端的TIVP 隔 离探头。
  • – Ch3：ID - TCP 系列电流探头

  高侧探测：

  • – Ch4：IRR - TCP 系列电流探头
  • – Ch5：VDS - THDP/TMDP 系列电压探头
• 直流电源

  高压电源：

  • – EA-PSI 10000 可编程电源，最高2 千伏，30 千瓦
  • – 2657A 高压源表单元（SMU），最高3 千伏
  • – 2260B-800-2，可编程直流电源，最高800 伏

  门驱动电路电源：

  • – 2230 系列或2280S 系列直流电源

AFG31000 上的双脉冲应用

AFG31000 的双脉冲测试应用可以直接从tek.com 网站下载，并安装到AFG31000 上。图10 展示了双脉冲测试应 用在AFG31000 主屏幕上的图标，该应用被下载并安装到设备上后即可见。

双脉冲测试应用让用户能够创建具有不同脉宽的脉冲，这一直是主要的用户痛点，因为创建具有不同脉宽的脉冲的 方法耗时。这些方法包括在PC 上创建波形并上传到函数发生器。其他方法是使用需要大量编程工作和时间的微控 制器。AFG31000 上的双脉冲测试应用使得用户能够直接从前端显示屏进行操作。该应用直观且快速设置。第一个 脉宽调整以获得所需的开关电流值。第二个脉冲也可以独立于第一个脉冲进行调整，通常比第一个脉冲短，以防止功 率设备被破坏。用户还可以定义每个脉冲之间的时间间隔。

图11展示了双脉冲测试应用窗口。在这里，用户可以设置：

• 脉冲数量：2 至30 脉冲
• 高低电压幅度（V）
• 触发延迟（秒）
• 触发源 - 手动、外部或定时器
• 负载 - 50Ω 或高阻（high Z）

图12 展示了双脉冲测试的实际测试设置。

在这个例子中，使用ST Micro-Electronics 的评估板作为N 沟道功率MOSFET 和IGBT 的门驱动器：EVAL6498L， 如图13 所示。

使用的MOSFET 也来自ST Micro-Electronics： STFH10N60M2。这些是N 沟道600V MOSFET，额定 漏电流为7.5A。

测试电路中使用的其他设备和器件包括：

• 脉泰克(Tektronix) 4、5 或6 系列MSO 示波器
• 泰克电流探头TCP0030A-120 MHz
• 泰克高压差分探头：TMDP0200
• 凯斯利(Kiethley) 直流电源 - 2280S（为门驱动IC 供电）
• 凯斯利2461 SMU 仪器（为电感供电）
• 电感：约1 mH

电源连接如下：

• MOSFET 焊接在电路板上。Q2 是低侧，Q1 是高侧。
• Q1 的门和源需要短接，因为Q1 不会被打开。
• Q2 的门电阻已焊接。R = 100Ω。
• AF31000 的CH1 连接到评估板上的PWM_L 和GND 输 入。
• 凯斯利电源连接到评估板上的Vcc 和GND 输入，为门驱 动IC 供电。
• 凯斯利2461 SMU 仪器连接到HV 和GND，为电感供电。
• 然后将电感连接到HV 和OUT。

双脉冲测试测量

一旦所有电源连接都已安全连接，我们可以将示波器的 探头连接到Q2（低侧MOSFET），如图14 所示。

• 一个被动探头连接到VGS。
• 差分电压探头连接到VDS。
• TCP0030A 电流探头通过 MOSFET源引脚上的环路。

细心的探测和优化将帮助用户获得好的结果。用户可以 采取一些步骤来进行准确和可重复的测量，如从测量 中移除电压、电流和时间误差。如4/5/6 系列MSOs 的 WBG-DPT 选项的自动化测量软件消除了手动步骤，节 省时间并提供可重复的结果。

现在可以在AFG31000 上设置双脉冲测试，如图15 所 示的屏幕捕获。

脉冲的幅度设置为2.5 伏。第一个脉冲的脉宽设置为10 微秒，间隙设置为5 微秒，第二个脉冲设置为5 微秒。触发 设置为手动。

SMU 仪器设置为向HV 源输入100 伏。配置好门驱动信号和电源后，现在可以使用示波器上的WBG-DPT 应用来配 置和执行双脉冲测试。

4/5/6 系列MSO 上的双脉冲测试软件

WBG-DPT 应用相较于手动测试提供了几个重要优势：

• 缩短测试时间
• 即使在带有振铃的信号上也能实现可重复的测量
• 根据JEDEC/IEC 标准或使用自定义参数进行测量
• 预设功能以便于示波器设置
• 在脉冲之间和注释之间轻松导航
• 在结果表中总结测量结果
• 通过报告、会话文件和波形记录结果
• 完整的编程接口实现自动化
• 使用可配置的限制和对失败采取的行动进行合格/ 不合 格测试

有关WBG-DPT 应用的更多信息，请参阅数据表。

测量分为开关参数分析、开关定时分析和二极管恢复分 析。

WBG Deskew 功能

脉冲的幅度设置为2.5 伏。第一个脉冲的脉宽设置为 10 微秒，间隙设置为5 微秒，第二个脉冲设置为5 微秒。 触发设置为手动。

SMU 仪器设置为向HV 源输入100 伏。配置好门驱动 信号和电源后，现在可以使用示波器上的WBG-DPT 应 用来配置和执行双脉冲测试。

注意图18 中的波形与图8 中显示的波形相似。再次提到，Ids 上看到的电流超调是由于高侧MOSFET/IGBT 的自由 轮二极管的反向恢复。这个尖峰是被使用设备的固有特性，并将导致损耗。

测量开通和关断时序及能量损失

为了计算开通和关断参数，我们查看第一个脉冲的下降 沿和第二个脉冲的上升沿。

测量开通和关断参数的行业标准如图19 所示。

• t_d(on): V_GS 在其峰值的10% 与V_DS 在其峰值的90% 之间 的时间间隔。
• T_r: V_ds 从90% 降到10% 的峰值之间的时间间隔。
• t_d(off): V_GS 在其峰值的90% 与V_DS 在其峰值的10% 之间 的时间间隔。
• T_f: V_ds 从10% 升到90% 的峰值之间的时间间隔。

展示了在示波器上捕获的波形和开通参数的测量。 在示波器上，启动WBG-DPT 应用。选择功率设备类型 为MOSFET。配置V_DS、I_D和V_GS 源。

转到开关定时分析组。添加Td(on)、Td(off)、Tr 和Tf 测量。

配置Td(on) 测量，点击预设。这将示波器设置为单次采集。

开启电源。

开启AFG31000 以产生输出脉冲。

如图21 所示，结果波形被捕获在示波器上。

然后使用以下方程计算过渡期间的能量损失：

通常，设计师会在示波器上使用积分功能来计算这一特 定的能量损失。 WBG-DPT 应用在开关参数分析组下 提供Eon 测量。这个测量设置了积分并快速显示结果。

上述相同的方程可用于计算关断过渡期间的能量损失：

DPT 应用在开关参数分析菜单中包括一个自动Eoff 测量。 这执行计算并直接提供能量损失结果。

注意：示波器捕获的数据仅供参考。

图22 展示了使用示波器光标获得的关断波形测量。

测量反向恢复

现在，需要测量MOSFET 的反向恢复特性。

反向恢复电流发生在第二个脉冲的开通期间。如图23 所示，在第二阶段，二极管在正向条件下导通。当低侧 MOSFET 再次开通时，二极管应立即切换到反向阻断状 态；然而，二极管会在一个短时间内以反向条件导通， 这被称为反向恢复电流。这种反向恢复电流转化为能量 损失，这直接影响了功率转换器的效率。 现在测量高侧MOSFET 的参数。通过高侧MOSFET 测 量Id，并在二极管上测量Vsd。

图23 还展示了如何检索反向恢复参数：

反向恢复参数：t_rr（反向恢复时间）、I_rr（反向恢复电流）、 Q_rr（反向恢复电荷）、E_rr（反向恢复能量）、di /dt 和V_sd（正 向导通电压）

然后使用以下方程计算过渡期间的能量损失：

WBG-DPT 支持在二极管反向恢复组下测量T_rr 、Q_rr 和 E_rr。波形和捕获的结果显示在图24 中。

多个T_rr 测量也可以在一个重叠的图中显示，显示选定 的脉冲、标注、切线和配置的值。

测量死区时间

对于半桥配置中的开关设备，为了确保被测试设备（DUT） 的完整性和人员的安全，一个开关在另一个开关开启前 必须关闭。如果两个开关同时开启，会发生“穿透”现 象，这将导致失败。然而，两个开关关闭的时间过长会 影响效率。因此，优化死区时间是一个关键的设计目标。 Δ t Δ t = 死区时间 Vgs1 Vgs2g 图25。在半桥功率转 换器中，死区时间是一个开关设 备关闭和另一个FET 开启之间的延迟，如图中的Δt 所示。

死区时间（Tdt）是一个MOSFET 关断时间和另一个 MOSFET 开通时间之间的时间延迟，通过每个MOSFET 的门驱动信号测量。死区时间在图25 中显示为Δt。

WBG-DPT 应用包含一个自动化的死区时间测量，可以 在“开关定时分析”选项卡下找到，如图16 所示。Tdt 测量显示在图26 的显示屏右侧的徽章中。死区时间是 一个门电压的配置下降沿级别和另一个门电压的配置 上升沿级别之间的时间间隔。默认的上升和下降沿级别 为50%。测量注释（虚线垂直线）标示了门驱动信号上 的死区时间测量。

在某些情况下，必须在具有缓慢上升或下降时间的波形 上进行死区时间测量。在这些情况下，可以在测量中配 置自定义边缘级别。自定义级别可以相对于波形的高低 级别，或者是绝对值。

结论

双脉冲测试是测量功率设备的开关参数和评估其动态行 为的首选测试方法。使用这个应用的测试和设计工程师 对了解功率设备的开关、定时和反向恢复行为表现出浓 厚的兴趣。此测试需要两个具有不同脉宽的电压脉冲， 这是主要的用户痛点，因为创建具有不同脉宽的脉冲的 方法耗时较长。这些方法包括在PC 上创建波形并上传 到函数发生器。其他方法则是使用需要大量编程工作和 时间的微控制器。本应用说明展示了泰克(Tektronix) AFG31000 任意函数发生器提供了一种直接在前端显示 屏上创建不同脉宽脉冲的简便方法。AFG31000 上的双 脉冲测试应用设置快速，输出脉冲迅速，因此允许设计 和测试工程师专注于收集数据和设计更高效的转换器。

在4/5/6 系列MSO 上的WBG-DPT 双脉冲应用能够进 行特定标准的测试，分析功率设备的行为，与手动测试相 比节省时间。该应用包括一个预设功能，以帮助捕获正确 的波形，提供详细的配置选项以超越标准测试，启用信 号调理功能以分析噪声波形，提供导航和注释功能，并提 供详细的文档以实现可重复的测量。

AFG31000 和4/5/6 系列MSO 上的自动化双脉冲测试设 置和分析相结合，极大地减少了测试时间，并为下一代功 率转换器的更快上市时间做出了贡献。