在汽車和工業(yè)應(yīng)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(shè)計。規(guī)制和經(jīng)濟壓 力持續(xù)促使高壓功率電子設(shè)計的效率提高。在空間受限 和/ 或移動應(yīng)用（例如電動汽車）中，更小、更輕的設(shè)計 的功率密度優(yōu)勢尤為明顯，而從系統(tǒng)成本降低的角度來 看，更緊湊的功率電子設(shè)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(guī)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(zhì)量認證中心（CQC）標志 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階段，功率電子都需 要實現(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(shè)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。

圖2：理想的功率轉(zhuǎn)換效率 [1]。

然而，開關(guān)損耗是不可避免的。因此，目標是通過設(shè)計 優(yōu)化來最小化損失。與效率相關(guān)的設(shè)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(guān)設(shè)備如MOSFET 或IGBT 上。[2]

圖3：理想的開關(guān)。

理想情況下，開關(guān)設(shè)備只有“開”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”狀態(tài)時， 開關(guān)的阻抗為零歐姆，無論通過開關(guān)的電流有多大，都不 會在開關(guān)中耗散任何功率。在“關(guān)”狀態(tài)時，開關(guān)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(guān)”（關(guān)斷）和“關(guān)”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(guān)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(zhuǎn)換器設(shè)計中的切換損失。

因此，設(shè)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(shè)計出更高效的轉(zhuǎn)換器。

首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(yīng)用說明將描述雙脈沖測試 及其實施方式。具體來說，本應(yīng)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(shè)備的切換參數(shù)和評估動態(tài) 行為的方法。使用這種應(yīng)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(guān)斷參數(shù)：關(guān)斷延遲（td(off )）、下降時間（tf）、關(guān)斷時 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(shè)備的規(guī)格。

確認功率設(shè)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(shè)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(yīng)負載和電源進行。電感用于復制轉(zhuǎn) 換器設(shè)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：使用MOSFET 作為待測設(shè)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(shè)備時的電流流向如 圖7 所示。

圖7：使用IGBT 作為待測設(shè)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(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(yīng)圖6、 圖7 和圖8）

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

第二步（2）是關(guān)閉第一個脈沖，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）由第二次開通脈沖代表。脈沖寬度比第一次脈 沖短，以防設(shè)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(diào)是由于高側(cè)MOSFET/IGBT 的自由輪二極管反向恢復所致。

然后在第一次脈沖的關(guān)斷和第二次脈沖的開通時捕獲關(guān) 斷和開通時間測量。

下一部分將討論測試設(shè)置和測量方式。

雙脈沖測試設(shè)置

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

AFG31000：連接到隔離門驅(qū)動器，并使用設(shè)備上的雙脈 沖測試應(yīng)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(shè)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(shè)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 適配器尖端的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，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(qū)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(yīng)用

圖10 展示了雙脈沖測試應(yīng) 用在AFG31000 主屏幕上的圖標，該應(yīng)用被下載并安裝到設(shè)備上后即可見。

圖10：AFG31000 主屏幕。

雙脈沖測試應(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，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(yīng)用使得用戶能夠直接從前端顯示屏進行操作。該應(yīng)用直觀且快速設(shè)置。第一個 脈寬調(diào)整以獲得所需的開關(guān)電流值。第二個脈沖也可以獨立于第一個脈沖進行調(diào)整，通常比第一個脈沖短，以防止功 率設(shè)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(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、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(yīng)用。

圖12 展示了雙脈沖測試的實際測試設(shè)置。

圖12 展示了雙脈沖測試的實際測試設(shè)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(qū)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(shè)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(qū)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(cè)，Q1 是高側(cè)。

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(qū) 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(cè)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(huán)路。

圖14：示波器測量測試點。

細心的探測和優(yōu)化將幫助用戶獲得好的結(jié)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(jié) 省時間并提供可重復的結(jié)果。

現(xiàn)在可以在AFG31000 上設(shè)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(shè)置

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

SMU 儀器設(shè)置為向HV 源輸入100 伏。配置好門驅(qū)動信號和電源后，現(xiàn)在可以使用示波器上的WBG-DPT 應(yīng)用來配 置和執(zhí)行雙脈沖測試。

4/5/6 系列MSO 上的雙脈沖測試軟件

WBG-DPT 應(yīng)用相較于手動測試提供了幾個重要優(yōu)勢：

縮短測試時間

即使在帶有振鈴的信號上也能實現(xiàn)可重復的測量

根據(jù)JEDEC/IEC 標準或使用自定義參數(shù)進行測量

預設(shè)功能以便于示波器設(shè)置

在脈沖之間和注釋之間輕松導航

在結(jié)果表中總結(jié)測量結(jié)果

通過報告、會話文件和波形記錄結(jié)果

完整的編程接口實現(xiàn)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(guān)WBG-DPT 應(yīng)用的更多信息，請參閱數(shù)據(jù)表。

測量分為開關(guān)參數(shù)分析、開關(guān)定時分析和二極管恢復分 析。

圖16. WBG-DPT 應(yīng)用中的開關(guān)定時分析測量。

WBG Deskew 功能

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

SMU 儀器設(shè)置為向HV 源輸入100 伏。配置好門驅(qū)動 信號和電源后，現(xiàn)在可以使用示波器上的WBG-DPT 應(yīng) 用來配置和執(zhí)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(xiàn)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(diào)是由于高側(cè)MOSFET/IGBT 的自由 輪二極管的反向恢復。這個尖峰是被使用設(shè)備的固有特性，并將導致?lián)p耗。

測量開通和關(guān)斷時序及能量損失

為了計算開通和關(guān)斷參數(shù)，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(guān)斷參數(shù)的行業(yè)標準如圖19 所示。

圖19：開關(guān)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(shè)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(fā)事件。

展示了在示波器上捕獲的波形和開通參數(shù)的測量。 在示波器上，啟動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)到開關(guān)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(shè)。這將示波器設(shè)置為單次采集。

開啟電源。

開啟AFG31000 以產(chǎn)生輸出脈沖。

如圖21 所示，結(jié)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(shè)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(yīng)用在開關(guān)參數(shù)分析組下 提供Eon 測量。這個測量設(shè)置了積分并快速顯示結(jié)果。

上述相同的方程可用于計算關(guān)斷過渡期間的能量損失：

DPT 應(yīng)用在開關(guān)參數(shù)分析菜單中包括一個自動Eoff 測量。 這執(zhí)行計算并直接提供能量損失結(jié)果。

注意：示波器捕獲的數(shù)據(jù)僅供參考。

圖21：開通參數(shù)波形

圖22 展示了使用示波器光標獲得的關(guān)斷波形測量。

圖22：關(guān)斷參數(shù)波形。

測量反向恢復

現(xiàn)在，需要測量MOSFET 的反向恢復特性。

圖23：

反向恢復電流發(fā)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?shù)蛡?cè) MOSFET 再次開通時，二極管應(yīng)立即切換到反向阻斷狀 態(tài)；然而，二極管會在一個短時間內(nèi)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(zhuǎn)化為能量 損失，這直接影響了功率轉(zhuǎn)換器的效率。 現(xiàn)在測量高側(cè)MOSFET 的參數(shù)。通過高側(cè)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(shù)：

反向恢復參數(shù)：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?qū)妷海?/span>

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(jié)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(qū)時間

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

圖25.

死區(qū)時間（Tdt）是一個MOSFET 關(guān)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(qū)動信號測量。死區(qū)時間在圖25 中顯示為Δt。

WBG-DPT 應(yīng)用包含一個自動化的死區(qū)時間測量，可以 在“開關(guān)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(cè)的徽章中。死區(qū)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(qū)動信號上 的死區(qū)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(qū)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(qū)時間測量。第6 通道的門驅(qū)動信號（綠色）關(guān)閉低側(cè)MOSFET，然后高側(cè)MOSFET 的門驅(qū)動信號（黃色）開啟高側(cè) MOSFET。

結(jié)論

雙脈沖測試是測量功率設(shè)備的開關(guān)參數(shù)和評估其動態(tài)行 為的首選測試方法。使用這個應(yīng)用的測試和設(shè)計工程師 對了解功率設(shè)備的開關(guān)、定時和反向恢復行為表現(xiàn)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(chuàng)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(chuàng)建波形并上傳 到函數(shù)發(fā)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(yīng)用說明展示了泰克(Tektronix) AFG31000 任意函數(shù)發(fā)生器提供了一種直接在前端顯示 屏上創(chuàng)建不同脈寬脈沖的簡便方法。AFG31000 上的雙 脈沖測試應(yīng)用設(shè)置快速，輸出脈沖迅速，因此允許設(shè)計 和測試工程師專注于收集數(shù)據(jù)和設(shè)計更高效的轉(zhuǎn)換器。

在4/5/6 系列MSO 上的WBG-DPT 雙脈沖應(yīng)用能夠進 行特定標準的測試，分析功率設(shè)備的行為，與手動測試相 比節(jié)省時間。該應(yīng)用包括一個預設(shè)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(diào)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(xiàn)可重復的測量。