一、背景

      雙脈沖測試是表征功率半導(dǎo)體器件動(dòng)態(tài)特性的重要手段，適用于各類功率器件，包括MOSFET、IGBT、Diode、SiC MOSFET、GaN HEMTs。同時(shí)，這項(xiàng)測試發(fā)生在器件研發(fā)、器件生產(chǎn)、系統(tǒng)應(yīng)用等各個(gè)環(huán)節(jié)，測試結(jié)果有力地保證了器件的特性和質(zhì)量、功率變換器的指標(biāo)和安全，可以說是伴隨了功率器件生命的關(guān)鍵時(shí)刻。

      隨著先進(jìn)功率器件的問世以及功率變換器設(shè)計(jì)愈發(fā)精細(xì)，器件研發(fā)工程師和電源工程師都越來越關(guān)注雙脈沖測試。

      工欲善其事，必先利其器，擁有一套雙脈沖測試平臺(tái)是獲得正確評(píng)估結(jié)果的前提。本文將破解雙脈沖平臺(tái)搭建的難題，快來看看吧。

二、雙脈沖測試平臺(tái)架構(gòu)

      下圖是雙脈沖測試平臺(tái)的架構(gòu)，并不復(fù)雜，主要包括：測試板、高壓電源、輔助電源、信號(hào)發(fā)生器、負(fù)載電感、示波器、電壓探頭、電流探頭。

1、測試板

      測試板是完成雙脈沖測試的核心，一般為半橋電路，有時(shí)也會(huì)采用根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用的拓?fù)?。其上主要部件包括母線電容、驅(qū)動(dòng)電路，母線電容為測試過程提供穩(wěn)定的母線電壓和所需的電流，驅(qū)動(dòng)電路控制器件完成開關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)雙脈沖過程。

      測試板的優(yōu)劣直接影響到評(píng)估結(jié)果的正確性。測試板需要首先需要確保在測量無誤的情況下不出現(xiàn)異常波形，比如電壓尖峰超過器件耐壓值、無法解釋的震蕩、橋臂短路等，否側(cè)這樣的測試結(jié)果是沒有價(jià)值的。對(duì)于服務(wù)于系統(tǒng)應(yīng)用器件選型的測試需求，測試板可以直接選用變換器實(shí)際的電路板，這樣的測試結(jié)果可以直接用于電路設(shè)計(jì)。隨著器件的開關(guān)速度越來越快，對(duì)測試板的性能也提出了更高的要求，如回路電感、驅(qū)動(dòng)電路等，有條件的客戶建議自己配。

2、高壓電源

      高壓電源在測試開始之前為測試板上的母線電容充電，起到設(shè)定測試電壓的作用。母線電容容值一般較大，從幾十uF到幾mF不等，這就要求高壓電源對(duì)容性負(fù)載的穩(wěn)壓能力要強(qiáng)。雙脈沖測試中，測試電壓一般不超過器件的耐壓值，故可以根據(jù)被測器件的電壓等級(jí)來確定高壓電源的電壓輸出能力。同時(shí)，同一雙脈沖測試平臺(tái)往往會(huì)用于測試不同電壓等級(jí)的器件，這就要求高壓電源的輸出電壓精度需要滿足測試要求。

      此外，在雙脈沖測試中，測試電流是由被充滿電的母線電容提供的，高壓電源在測試過程中并不提供能量。故高壓電源可以選擇功率較小的型號(hào)，一方面可以節(jié)約成本，一方面可以降低噪聲。

3、輔助電源

      輔助電源的作用是為測試板上的驅(qū)動(dòng)電路供電，所需電壓一般在20V以內(nèi)，所需功率一般在20W以內(nèi)。同時(shí)，對(duì)于上下管都是開關(guān)管的測試板，可以選擇雙通道輸出的輔助電源為上下管的驅(qū)動(dòng)電壓分別供電；對(duì)于三電平電路的雙脈沖測試，可以選擇三通道輸出的輔助電源為每個(gè)器件的驅(qū)動(dòng)電壓分別供電。這樣的好處是可以提高測試電路的可靠性，不會(huì)因?yàn)槟骋或?qū)動(dòng)電路故障而影響其他驅(qū)動(dòng)電路。

4、信號(hào)發(fā)生器

      信號(hào)發(fā)生器的功能是向測試板上的驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出雙脈沖信號(hào)，完成雙脈沖測試。由于測試所需的雙脈沖信號(hào)頻率不高，且其上升下降速度對(duì)測試的影響很小，故選擇各廠商能提供的基礎(chǔ)的型號(hào)發(fā)生器即可。

      不過需要注意的是，對(duì)雙脈沖測試平臺(tái)進(jìn)行改造后還可以進(jìn)行多脈沖測試、短路測試、雪崩測試、電源開環(huán)測試，此時(shí)往往所需的控制信號(hào)就不止一路了。所以在搭建雙脈沖測試平臺(tái)時(shí)可以選擇雙通道輸出的信號(hào)發(fā)生器，以提高靈活度。

      同時(shí)，在進(jìn)行雙脈沖測試時(shí)，需要不斷根據(jù)測試條件調(diào)整雙脈沖信號(hào)的脈寬和間隔，老式的信號(hào)發(fā)生器需要手動(dòng)輸入編輯波形或上位機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)，十分不方便。針對(duì)這個(gè)問題，可以選擇單通道或雙通道任意波形信號(hào)發(fā)生器，其上搭載的雙脈沖測試軟件可以快捷地實(shí)現(xiàn)雙脈沖信號(hào)設(shè)置。

5、示波器

      示波器用于被測器件開關(guān)過程波形的采集，至少包含驅(qū)動(dòng)波形、端電壓波形和端電流波形，故可以選擇4通道示波器。此外，又是需要同時(shí)對(duì)上下管器件進(jìn)行測試，這時(shí)就可以選擇8通道示波器，可以輕松搞定多路信號(hào)的采集。

      在示波器選擇時(shí)，還需要考慮其帶寬、分辨率、噪聲、采樣率等。傳統(tǒng)的器件開關(guān)速度慢，對(duì)示波器的要求不高。但隨著越來越多先進(jìn)功率器件的出現(xiàn)，其電壓電流范圍更廣、開關(guān)速度更快，對(duì)用于雙脈沖測試的示波器提出了更高的要求。

      示波器可以選擇帶寬1GHz版本，能夠滿足高開關(guān)速度對(duì)帶寬的要求，其具有12bit ADC可顯著提高測量精度、降低測量噪聲，特別對(duì)高壓大電流器件效果尤為顯著。此外，示波器推薦4通道、6通道、8通道3種配置選擇。

6、電壓探頭

      電壓探頭用于測量被測器件的驅(qū)動(dòng)電壓波形和端電壓波形。

      10倍無源探頭：帶寬高可達(dá)1GHz、衰減倍數(shù)小，使用無源探頭能夠獲得精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)電壓波形。由于其屬于無源探頭，故僅能用于測量下管器件的驅(qū)動(dòng)電壓。同時(shí)還可用于200V以下器件端電壓測量，能夠獲的精準(zhǔn)的端電壓測量結(jié)果。在使用時(shí)同樣需要注意接地線的影響和阻抗匹配問題，且只能用于下管測量。

      在使用10倍無源探頭測量驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，需要注意接地線的影響和阻抗匹配。

      高壓單端探頭：高測量范圍高達(dá)2500V，高帶寬可達(dá)800MHz，能夠獲的精準(zhǔn)的端電壓測量結(jié)果。在使用時(shí)同樣需要注意接地線的影響和阻抗匹配問題，且只能用于下管測量。

      高壓差分探頭：其為差分輸入，故可以用于上管測試，但由于其CMRR不夠高，其測量結(jié)果正確性和精度不足以用于精準(zhǔn)的器件特性分析；屬于有源探頭，輸入阻抗相比10倍無源探頭更大，當(dāng)被測器件發(fā)生損壞時(shí)，對(duì)示波器來講更加安全；由于其衰減倍數(shù)較大，一般在50倍以上，導(dǎo)致其測量的驅(qū)動(dòng)電壓波形上噪聲較大、精度較低；由于其端部接線長度較長，容易受到干擾，導(dǎo)致測量結(jié)果錯(cuò)誤。

      其高測量范圍高達(dá)6500V，差分輸入，可用于上管器件測量。與測量驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)原因相同，測試精度較無源探頭差，帶寬不夠高。高帶寬僅200MHz，無法滿足高速器件，如SiC、GaN器件動(dòng)態(tài)特性精準(zhǔn)測試的要求。

      光隔離探頭：帶寬高可達(dá)1GHz，小量程衰減比僅1倍，1GHz下CMRR高達(dá)-90dB，使用光隔離探頭能夠獲得更準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)電壓波形，是現(xiàn)階段測量上管驅(qū)動(dòng)電壓波形的上佳工具。

7、電流探頭

      羅氏線圈：測量范圍從幾十A到幾千安無飽和問題，只能測量交流電流，無法測量直流電流，正好可以用于測量器件開關(guān)/反向恢復(fù)特性。羅氏線圈正好套入器件中測量電流，如分立器件的引腳、功率模塊的端子、功率模塊的鍵合線，這樣的方式不會(huì)破壞主功率線路而對(duì)器件特性造成影響。但其高帶寬僅為30MHz，無法精準(zhǔn)測量高速器件的電流。

      同軸電阻：大帶寬可達(dá)1GHz以上，特殊安裝方式引入功率回路的寄生電感較小，測量精度高，能夠獲得精準(zhǔn)的器件斷電流，特別對(duì)SiC、GaN器件更是不二之選。