在汽車和工業應用中，由于硅基半導體性能的局限性， 功率電子中使用的半導體材料正逐漸從硅過渡到如碳 化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）這類寬禁帶半導體。GaN 和SiC 支持更小、更快、更高效的設計。規制和經濟壓 力持續促使高壓功率電子設計的效率提高。在空間受限 和/ 或移動應用（例如電動汽車）中，更小、更輕的設計 的功率密度優勢尤為明顯，而從系統成本降低的角度來 看，更緊湊的功率電子設備也普遍受到青睞。同時，隨著 政府推出財政激勵措施和更嚴格的能效規定，效率的重 要性日益增長。例如，歐盟的Eco-design 指令、美國能 源部2016 年效率標準、中國質量認證中心（CQC）標志 等全球實體發布的指南，都在管理電氣產品和設備的能 效要求。從電力生成到消耗的各個階段，功率電子都需 要實現更高的能效，如圖1 所示。功率轉換器在生成、 傳輸和消耗鏈的多個階段運作，由于這些操作沒有一個 是100% 高效的，因此每一步都會有一些功率損失。主 要由于熱能損失，這些效率的整體下降在整個周期中不 斷加劇。

圖1：在生成、傳輸和消耗階段的功率損失 [1]。

設計功率轉換器時，理想狀態下的功率損失為0%，如圖2 所示。

圖2：理想的功率轉換效率 [1]。

然而，開關損耗是不可避免的。因此，目標是通過設計 優化來最小化損失。與效率相關的設計參數必須經過嚴 格的測量。 典型的轉換器效率約為87% 到90%，這意味著10% 到 13% 的輸入功率在轉換器內部消耗掉，大部分以廢熱的 形式。這種損失的一大部分發生在開關設備如MOSFET 或IGBT 上。[2]

圖3：理想的開關。

理想情況下，開關設備只有“開”或“關”兩種狀態，如 圖3 所示，并能瞬間在這兩種狀態間切換。在“開”狀態時， 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。

圖4：A: MOSFET 在原理圖上的外觀。B: 電路如何看待 MOSFET。

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，以盡量 減少切換損失，從而設計出更高效的轉換器。

首選的測試方法來測量MOSFET 或IGBT 的切換參數 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 任意函數發生器生成脈沖，并使 用4、5 或6 系列MSO 示波器測量重要參數。

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和評估動態 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：

開通參數：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：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：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）和正向導通電壓（Vsd）。

此測試的執行目的是：

保證像MOSFET 和IGBT 這類功率設備的規格。

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，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 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MOSFET 的 門極，從而使其開啟并開始導電。

圖6：使用MOSFET 作為待測設備時的電流流向。

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7：使用IGBT 作為待測設備的電流流向。

圖8：雙脈沖測試的典型波形。

圖8 展示了在低側MOSFET 或IGBT 上取得的典型測量數據。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）

第一步，由第一次開通脈沖代表，是初始調整的脈寬。這 建立了電感中的電流。調整此脈沖以達到圖8 所示的所需 測試電流（Id）。

第二步（2）是關閉第一個脈沖，這在自由輪二極管中產 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MOSFET 上的Id 在第二步 歸零；然而，電流通過電感和高側二極管流動。這可以在 圖6 和圖7 中看到，電流通過高側MOSFET（未被開通的 MOSFET）的二極管流動。

第三步（3）由第二次開通脈沖代表。脈沖寬度比第一次脈 沖短，以防設備過熱。第二個脈沖需要足夠長，以便進行 測量。圖8 中看到的電流超調是由于高側MOSFET/IGBT 的自由輪二極管反向恢復所致。

然后在第一次脈沖的關斷和第二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。

用于低側設備和高側二極管反向恢復的探頭：

低側探測：

– Ch1：VDS - TPP 系列或THDP/TMDP 系列電壓探頭

– Ch2：VGS - TPP 系列或帶MMCX 適配器尖端的TIVP 隔 離探頭。

– Ch3：ID - TCP 系列電流探頭

高側探測：

– 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，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

門驅動電路電源：

– 2230 系列或2280S 系列直流電源

圖9：

AFG31000 上的雙脈沖應用

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。

圖10：AFG31000 主屏幕。

雙脈沖測試應用讓用戶能夠創建具有不同脈寬的脈沖，這一直是主要的用戶痛點，因為創建具有不同脈寬的脈沖的 方法耗時。這些方法包括在PC 上創建波形并上傳到函數發生器。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。第一個 脈寬調整以獲得所需的開關電流值。第二個脈沖也可以獨立于第一個脈沖進行調整，通常比第一個脈沖短，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：

脈沖數量：2 至30 脈沖

高低電壓幅度（V）

觸發延遲（秒）

觸發源 - 手動、外部或定時器

負載 - 50Ω 或高阻（high Z）

圖11：AFG31000 上的雙脈沖測試應用。

圖12 展示了雙脈沖測試的實際測試設置。

圖12 展示了雙脈沖測試的實際測試設置。

在這個例子中，使用ST Micro-Electronics 的評估板作為N 溝道功率MOSFET 和IGBT 的門驅動器：EVAL6498L， 如圖13 所示。

圖13

使用的MOSFET 也來自ST Micro-Electronics： STFH10N60M2。這些是N 溝道600V MOSFET，額定 漏電流為7.5A。

測試電路中使用的其他設備和器件包括：

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（為門驅動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，Q1 是高側。

Q1 的門和源需要短接，因為Q1 不會被打開。

Q2 的門電阻已焊接。R = 100Ω。

AF31000 的CH1 連接到評估板上的PWM_L 和GND 輸 入。

凱斯利電源連接到評估板上的Vcc 和GND 輸入，為門驅 動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。

雙脈沖測試測量

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MOSFET），如圖14 所示。

一個被動探頭連接到VGS。

差分電壓探頭連接到VDS。

TCP0030A 電流探頭通過 MOSFET源引腳上的環路。

圖14：示波器測量測試點。

細心的探測和優化將幫助用戶獲得好的結果。用戶可以 采取一些步驟來進行準確和可重復的測量，如從測量 中移除電壓、電流和時間誤差。如4/5/6 系列MSOs 的 WBG-DPT 選項的自動化測量軟件消除了手動步驟，節 省時間并提供可重復的結果。

現在可以在AFG31000 上設置雙脈沖測試，如圖15 所 示的屏幕捕獲。

圖15：AFG31000 上的雙脈沖測試設置

脈沖的幅度設置為2.5 伏。第一個脈沖的脈寬設置為10 微秒，間隙設置為5 微秒，第二個脈沖設置為5 微秒。觸發 設置為手動。

SMU 儀器設置為向HV 源輸入100 伏。配置好門驅動信號和電源后，現在可以使用示波器上的WBG-DPT 應用來配 置和執行雙脈沖測試。

4/5/6 系列MSO 上的雙脈沖測試軟件

WBG-DPT 應用相較于手動測試提供了幾個重要優勢：

縮短測試時間

即使在帶有振鈴的信號上也能實現可重復的測量

根據JEDEC/IEC 標準或使用自定義參數進行測量

預設功能以便于示波器設置

在脈沖之間和注釋之間輕松導航

在結果表中總結測量結果

通過報告、會話文件和波形記錄結果

完整的編程接口實現自動化

使用可配置的限制和對失敗采取的行動進行合格/ 不合 格測試

有關WBG-DPT 應用的更多信息，請參閱數據表。

測量分為開關參數分析、開關定時分析和二極管恢復分 析。

圖16. WBG-DPT 應用中的開關定時分析測量。

WBG Deskew 功能

脈沖的幅度設置為2.5 伏。第一個脈沖的脈寬設置為 10 微秒，間隙設置為5 微秒，第二個脈沖設置為5 微秒。 觸發設置為手動。

SMU 儀器設置為向HV 源輸入100 伏。配置好門驅動 信號和電源后，現在可以使用示波器上的WBG-DPT 應 用來配置和執行雙脈沖測試。

圖17. WBG Deskew 過程專門用于雙脈沖測試，并在信號被獲 取后實現電流和電壓波形的對齊。

圖18：雙脈沖測試波形。

注意圖18 中的波形與圖8 中顯示的波形相似。再次提到，Ids 上看到的電流超調是由于高側MOSFET/IGBT 的自由 輪二極管的反向恢復。這個尖峰是被使用設備的固有特性，并將導致損耗。

測量開通和關斷時序及能量損失

為了計算開通和關斷參數，我們查看第一個脈沖的下降 沿和第二個脈沖的上升沿。

測量開通和關斷參數的行業標準如圖19 所示。

圖19：開關時間標準波形 [5]。

td(on): VGS 在其峰值的10% 與VDS 在其峰值的90% 之間 的時間間隔。

Tr: Vds 從90% 降到10% 的峰值之間的時間間隔。

td(off): VGS 在其峰值的90% 與VDS 在其峰值的10% 之間 的時間間隔。

Tf: Vds 從10% 升到90% 的峰值之間的時間間隔。

圖20：示波器上的DPT 軟件支持標準和自定義參考水平。滯回 帶設置了參考水平的范圍，信號必須穿過該范圍才被識別為一個 過渡。這有助于過濾掉偶發事件。

展示了在示波器上捕獲的波形和開通參數的測量。 在示波器上，啟動WBG-DPT 應用。選擇功率設備類型 為MOSFET。配置VDS、ID和VGS 源。

轉到開關定時分析組。添加Td(on)、Td(off)、Tr 和Tf 測量。

配置Td(on) 測量，點擊預設。這將示波器設置為單次采集。

開啟電源。

開啟AFG31000 以產生輸出脈沖。

如圖21 所示，結果波形被捕獲在示波器上。

然后使用以下方程計算過渡期間的能量損失：

通常，設計師會在示波器上使用積分功能來計算這一特 定的能量損失。 WBG-DPT 應用在開關參數分析組下 提供Eon 測量。這個測量設置了積分并快速顯示結果。

上述相同的方程可用于計算關斷過渡期間的能量損失：

DPT 應用在開關參數分析菜單中包括一個自動Eoff 測量。 這執行計算并直接提供能量損失結果。

注意：示波器捕獲的數據僅供參考。

圖21：開通參數波形

圖22 展示了使用示波器光標獲得的關斷波形測量。

圖22：關斷參數波形。

測量反向恢復

現在，需要測量MOSFET 的反向恢復特性。

圖23：

反向恢復電流發生在第二個脈沖的開通期間。如圖23 所示，在第二階段，二極管在正向條件下導通。當低側 MOSFET 再次開通時，二極管應立即切換到反向阻斷狀 態；然而，二極管會在一個短時間內以反向條件導通， 這被稱為反向恢復電流。這種反向恢復電流轉化為能量 損失，這直接影響了功率轉換器的效率。 現在測量高側MOSFET 的參數。通過高側MOSFET 測 量Id，并在二極管上測量Vsd。

圖23 還展示了如何檢索反向恢復參數：

反向恢復參數：trr（反向恢復時間）、Irr（反向恢復電流）、 Qrr（反向恢復電荷）、Err（反向恢復能量）、di /dt 和Vsd（正 向導通電壓）

然后使用以下方程計算過渡期間的能量損失：

WBG-DPT 支持在二極管反向恢復組下測量Trr 、Qrr 和 Err。波形和捕獲的結果顯示在圖24 中。

多個Trr 測量也可以在一個重疊的圖中顯示，顯示選定 的脈沖、標注、切線和配置的值。

圖24：反向恢復波形。顯示器頂部的波形顯示了多個事件的重疊圖。切線（A-B）表示當前選中的測量事件。

測量死區時間

對于半橋配置中的開關設備，為了確保被測試設備（DUT） 的完整性和人員的安全，一個開關在另一個開關開啟前 必須關閉。如果兩個開關同時開啟，會發生“穿透”現 象，這將導致失敗。然而，兩個開關關閉的時間過長會 影響效率。因此，優化死區時間是一個關鍵的設計目標。 Δ t Δ t = 死區時間 Vgs1 Vgs2g 圖25。在半橋功率轉 換器中，死區時間是一個開關設 備關閉和另一個FET 開啟之間的延遲，如圖中的Δt 所示。

圖25.

死區時間（Tdt）是一個MOSFET 關斷時間和另一個 MOSFET 開通時間之間的時間延遲，通過每個MOSFET 的門驅動信號測量。死區時間在圖25 中顯示為Δt。

WBG-DPT 應用包含一個自動化的死區時間測量，可以 在“開關定時分析”選項卡下找到，如圖16 所示。Tdt 測量顯示在圖26 的顯示屏右側的徽章中。死區時間是 一個門電壓的配置下降沿級別和另一個門電壓的配置 上升沿級別之間的時間間隔。默認的上升和下降沿級別 為50%。測量注釋（虛線垂直線）標示了門驅動信號上 的死區時間測量。

在某些情況下，必須在具有緩慢上升或下降時間的波形 上進行死區時間測量。在這些情況下，可以在測量中配 置自定義邊緣級別。自定義級別可以相對于波形的高低 級別，或者是絕對值。

圖26. 自動化死區時間測量。第6 通道的門驅動信號（綠色）關閉低側MOSFET，然后高側MOSFET 的門驅動信號（黃色）開啟高側 MOSFET。

結論

雙脈沖測試是測量功率設備的開關參數和評估其動態行 為的首選測試方法。使用這個應用的測試和設計工程師 對了解功率設備的開關、定時和反向恢復行為表現出濃 厚的興趣。此測試需要兩個具有不同脈寬的電壓脈沖， 這是主要的用戶痛點，因為創建具有不同脈寬的脈沖的 方法耗時較長。這些方法包括在PC 上創建波形并上傳 到函數發生器。其他方法則是使用需要大量編程工作和 時間的微控制器。本應用說明展示了泰克(Tektronix) AFG31000 任意函數發生器提供了一種直接在前端顯示 屏上創建不同脈寬脈沖的簡便方法。AFG31000 上的雙 脈沖測試應用設置快速，輸出脈沖迅速，因此允許設計 和測試工程師專注于收集數據和設計更高效的轉換器。

在4/5/6 系列MSO 上的WBG-DPT 雙脈沖應用能夠進 行特定標準的測試，分析功率設備的行為，與手動測試相 比節省時間。該應用包括一個預設功能，以幫助捕獲正確 的波形，提供詳細的配置選項以超越標準測試，啟用信 號調理功能以分析噪聲波形，提供導航和注釋功能，并提 供詳細的文檔以實現可重復的測量。