功率半導體雙脈沖測試分析

設計功率轉(zhuǎn)換器時，理想狀態(tài)下的功率損失為0%，如圖2 所示。

然而，開關損耗是不可避免的。因此，目標是通過設計優(yōu)化來*小化損失。與效率相關的設計參數(shù)必須經(jīng)過嚴格的測量。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)生在開關設備如MOSFET 或IGBT 上。[2]

理想情況下，開關設備只有“開”或“關”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”狀態(tài)時，開關的阻抗為零歐姆，無論通過開關的電流有多大，都不會在開關中耗散任何功率。在“關”狀態(tài)時，開關的阻抗為無限大，無電流流過，因此不耗散任何功率。然而，實際上在“開”到“關”（關斷）和“關”到“開”（開通）的轉(zhuǎn)換過程中會耗散功率。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減緩器件的切換速度，延長開通和關斷時間。MOSFET 的漏極和源極之間的寄生電阻在漏電流流動時會耗散功率。

還需要考慮MOSFET 體二極管的反向恢復損失。二極管的反向恢復時間是衡量二極管切換速度的一個指標，因此會影響轉(zhuǎn)換器設計中的切換損失。

因此，設計工程師需要測量所有這些時間參數(shù)，以盡量減少切換損失，從而設計出更高效的轉(zhuǎn)換器。

優(yōu)選的測試方法來測量MOSFET 或IGBT 的切換參數(shù) 是“雙脈沖測試”方法。本應用說明將描述雙脈沖測試及其實施方式。具體來說，本應用說明將解釋如何使用 Tektronix AFG31000 任意函數(shù)發(fā)生器生成脈沖，并使用4、5 或6 系列MSO 示波器測量重要參數(shù)。

什么是雙脈沖測試？

雙脈沖測試是一種測量功率設備的切換參數(shù)和評估動態(tài) 行為的方法。使用這種應用的用戶通常希望測量以下切換參數(shù)：

開通參數(shù)：開通延遲（t d(on)）、上升時間（tr）、開通時間（t on）、開通能量（Eon）、電壓變化率（dv/dt）和電流變化率（di/ dt）。然后確定能量損失。
關斷參數(shù)：關斷延遲（td(off )）、下降時間（tf）、關斷時間（toff）、關斷能量（Eoff）、電壓變化率（dv/dt）和電流變化率（di/dt）。然后確定能量損失。
反向恢復參數(shù)：反向恢復時間（trr）、反向恢復電流（Irr）、反向恢復電荷（Qrr）、反向恢復能量（Err）、電流變化率（di / dt）和正向?qū)妷海╒sd）。

此測試的執(zhí)行目的是：

保證像MOSFET 和IGBT 這類功率設備的規(guī)格。
確認功率設備或功率模塊的實際值或偏差。
在各種負載條件下測量這些切換參數(shù)，并驗證多個設備的性能。

圖5 展示了一個典型的雙脈沖測試電路。

圖5：雙脈沖測試電路。

該測試使用感應負載和電源進行。電感用于復制轉(zhuǎn) 換器設計中的電路條件。電源用于向電感提供電壓。 AFG31000 用于輸出脈沖，這些脈沖觸發(fā)MOSFET 的門極，從而使其開啟并開始導電。

圖6 展示了使用MOSFET 進行雙脈沖測試時不同階段的電流流向。使用IGBT 作為待測設備時的電流流向如圖7 所示。

圖8 展示了在低側(cè)MOSFET 或IGBT 上取得的典型測量數(shù)據(jù)。以下是雙脈沖測試的不同階段（這些階段對應圖6、圖7 和圖8）

**步，由**次開**沖代表，是初始調(diào)整的脈寬。這建立了電感中的電流。調(diào)整此脈沖以達到圖8 所示的所需測試電流（Id）。
**步（2）是關閉**個脈沖，這在自由輪二極管中產(chǎn) 生電流。關斷周期很短，以保持電感中的負載電流盡可能接近恒定值。圖8 顯示低側(cè)MOSFET 上的Id 在**步歸零；然而，電流通過電感和高側(cè)二極管流動。這可以在圖6 和圖7 中看到，電流通過高側(cè)MOSFET（未被開通的 MOSFET）的二極管流動。
第三步（3）由**次開**沖代表。脈沖寬度比**次脈沖短，以防設備過熱。**個脈沖需要足夠長，以便進行測量。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所致。
然后在**次脈沖的關斷和**次脈沖的開通時捕獲關斷和開通時間測量。

下一部分將討論測試設置和測量方式。

雙脈沖測試設置

圖9 展示了進行雙脈沖測試的設備設置。需要以下設備：

AFG31000：連接到隔離門驅(qū)動器，并使用設備上的雙脈沖測試應用快速生成不同脈寬的脈沖。隔離門驅(qū)動器用于開通MOSFET。
示波器：4/5/6 系列MSO（此設置使用Tektronix 5 系列 MSO）：測量VDS、VGS 和ID。
示波器上的雙脈沖測試軟件：4/5/6 系列MSO 上的Opt. WBG-DPT，用于自動化測量。
用于低側(cè)設備和高側(cè)二極管反向恢復的探頭：
低側(cè)探測：
- – 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**的TIVP 隔離探頭。
- – Ch3：ID - TCP 系列電流探頭
高側(cè)探測：
- – Ch4：IRR - TCP 系列電流探頭
- – Ch5：VDS - THDP/TMDP 系列電壓探頭
直流電源
高壓電源：
- – EA-PSI 10000 可編程電源，*高2 千伏，30 千瓦
- – 2657A 高壓源表單元（SMU），*高3 千伏
- – 2260B-800-2，可編程直流電源，*高800 伏
門驅(qū)動電路電源：
- – 2230 系列或2280S 系列直流電源

AFG31000 上的雙脈沖應用

AFG31000 的雙脈沖測試應用可以直接從tek.com 網(wǎng)站下載，并安裝到AFG31000 上。圖10 展示了雙脈沖測試應用在AFG31000 主屏幕上的圖標，該應用被下載并安裝到設備上后即可見。

雙脈沖測試應用讓用戶能夠創(chuàng)建具有不同脈寬的脈沖，這一直是主要的用戶痛點，因為創(chuàng)建具有不同脈寬的脈沖的方法耗時。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間的微控制器。AFG31000 上的雙脈沖測試應用使得用戶能夠直接從前端顯示屏進行操作。該應用直觀且快速設置。**個脈寬調(diào)整以獲得所需的開關電流值。**個脈沖也可以獨立于**個脈沖進行調(diào)整，通常比**個脈沖短，以防止功率設備被破壞。用戶還可以定義每個脈沖之間的時間間隔。

圖11展示了雙脈沖測試應用窗口。在這里，用戶可以設置：