【導讀】SiC器件的快速開(kāi)關(guān)特性包括高頻率，要求測量信號的精度至少達到100MHz或更高帶寬 (BW)，這需要使用額定500MHz或更高頻率的示波器和探頭。在本文中，寬禁帶功率器件供應商Qorvo與Tektronix合作，基于實(shí)際的SiC被測器件 (DUT)，描述了實(shí)用的解決方案。
我們將高功率SiC器件定義為處理1kV和100A范圍內的器件，這相當于100kW的功率。SiC晶體管處理和服務(wù)的高電壓、高電流和快速開(kāi)關(guān)系統的性質(zhì)帶來(lái)了許多在普通5V或12V系統中不會(huì )出現的挑戰。例如：
100A量級的電流會(huì )將印刷電路板 (PCB) 導線(xiàn)暴露為寄生電阻元件，從而產(chǎn)生顯著(zhù)的IR壓降。
1000V量級的電壓會(huì )使微小的寄生電容儲存大量電荷，從而在開(kāi)關(guān)操作中導致顯著(zhù)的功率損耗。
SiC器件的快速開(kāi)關(guān)能力使所有導體元件表現為寄生電感元件，從而在開(kāi)關(guān)操作中引發(fā)不必要的反電勢電壓突波。
根據Maxwell的理論，快速開(kāi)關(guān)的電容器和電感器會(huì )產(chǎn)生電磁活動(dòng)，例如EMI/EMC。
高功率測量需要使用體積較大的探頭和堅固的電纜進(jìn)行穩固的探測，但上述挑戰要求連接長(cháng)度盡可能短。此外，處理這些龐大的探頭和電纜時(shí)，還需注意安全，以避免短路事件或損壞。因此，測試設置必須保持整潔和簡(jiǎn)化。
上述反電勢電壓突波輕松達到50V至60V，這超出了大多數測量設備從地面測量的最大允許峰值電壓限制。這使得在測試設置中選擇合適的“測量接地平面”變得更加困難。
SiC器件的快速開(kāi)關(guān)特性包括高頻率，要求測量信號的精度至少達到100MHz或更高帶寬 (BW)，這需要使用額定500MHz或更高頻率的示波器和探頭。在本文中，寬禁帶功率器件供應商Qorvo與Tektronix合作，基于實(shí)際的SiC被測器件 (DUT)，描述了實(shí)用的解決方案。
圖 1. Qorvo 提供具有極低 R 的高電壓、大電流 SiC FETDS 系列（開(kāi)）。
雙脈沖測試 (DPT) 概述
為了完全驗證基于SiC或GaN的寬禁帶 (WBG) 器件，需要進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量。測量WBG器件的開(kāi)關(guān)參數和二極管反向恢復參數的首選測試方法是雙脈沖測試 (DPT)。
雙脈沖測試是一種行業(yè)標準技術(shù)，用于在被測器件 (DUT) 的開(kāi)啟、關(guān)閉以及反向恢復過(guò)程中測量一系列重要參數?；緶y試設置如圖2所示。假設高側和低側使用相同的晶體管器件，高側晶體管可以保持關(guān)閉狀態(tài)，從而可以測量開(kāi)關(guān)損耗和反向恢復損耗。為了確定電路中的DPT開(kāi)關(guān)參數，需要觀(guān)察低側器件的 VDS、ID和VGS。二極管的反向恢復參數則通過(guò)測量高側器件的ID和VDS來(lái)確定。DPT設置必須向隔離柵極驅動(dòng)器生成至少兩個(gè)不同脈寬的脈沖，以觸發(fā) FET 或IGBT并控制電流的導通。這些脈沖可以通過(guò)任意波形發(fā)生器 (AFG) 生成。圖2是簡(jiǎn)化的示意圖，未顯示柵極驅動(dòng)器。在實(shí)際應用中，AFG通常會(huì )連接隔離柵極驅動(dòng)器，如圖4所示。圖3展示了DPT波形的示例。
圖2：在低側DPT測試中，高側FET關(guān)閉，低側FET開(kāi)關(guān)。此簡(jiǎn)化設置展示了信號流的基本情況。在實(shí)際測試設置中，功能發(fā)生器會(huì )驅動(dòng)一個(gè)隔離柵極驅動(dòng)器（詳見(jiàn)圖4的詳細電路）。
圖 3：FET或雙極晶體管測試的概念性DPT波形。左側顯示低側柵極信號。在第一階段，DUT導通，電流（右圖紅色部分）通過(guò)電感器建立；在第二階段，DUT關(guān)閉；在第三階段，DUT再次導通——電流出現瞬時(shí)尖峰，因為高側二極管的電流發(fā)生反向，然后電流通過(guò)電感器繼續增加，直到DUT再次關(guān)閉。
Qorvo的測試設置
在對100kW范圍內的DUT進(jìn)行測試時(shí)，我們最關(guān)心的是操作人員在執行DPT測量時(shí)的安全。在建立可重復、可靠的DPT電路板和設置之前，驗證概念原型時(shí)的安全措施尤為重要。最有效的安全策略是通過(guò)移除如電纜和探頭頭部等雜亂元件，保持測試設置簡(jiǎn)潔。
作為6系列MSO示波器的用戶(hù)，Qorvo發(fā)現幾乎所有必要的測量都可以通過(guò)6系列MSO和安裝的AFG選件完成。簡(jiǎn)而言之，6系列MSO的內置AFG可以從其后面板生成雙脈沖，同時(shí)其輸入端的探頭可以收集信號信息。
圖4：DPT設置，Qorvo的方法。隔離高側柵極驅動(dòng)器的輸入接地，并向高側FET提供-3V電壓以保持其關(guān)閉。低側隔離柵極驅動(dòng)器由示波器的 AFG 輸出提供信號，控制低側FET的開(kāi)啟（+15V）和關(guān)閉（-3V）。TIVP1 IsoVu光學(xué)隔離探頭直接連接到電流觀(guān)測電阻 (CVR)，以盡可能減少電氣布線(xiàn)的方式測量ID-LOW引起的電壓降。
圖5：Qorvo測試設置的照片，放置在防護箱中。
采用建議的6系列MSO DPT設置的優(yōu)勢包括：
? 輕松識別測量接地：
6系列MSO內部的所有接地都連接到底盤(pán)（地球）接地，包括：
- AFG輸出BNC電纜接地
- 任何非隔離探頭的接地（屏蔽/引線(xiàn)）
? 簡(jiǎn)化布線(xiàn)/電纜連接
? 通過(guò)PC進(jìn)行全遠程控制：
6系列MSO可以通過(guò)PC完全遠程控制，這不僅使探頭電纜保持較短，還允許測試工程師在高能量測試過(guò)程中與測試系統保持安全距離。
為了完成測量設置并利用6系列MSO的AFG選件，必須開(kāi)發(fā)一種方法，在A(yíng)FG上生成DPT柵極驅動(dòng)信號。
使用任意波形作為柵極驅動(dòng)信號
本文提供了一種編程方法，通過(guò)6系列MSO的內置AFG自動(dòng)生成柵極驅動(dòng)信號。建議使用這種自動(dòng)化方法以提升速度、靈活性和可重復性。然而，為了理解程序操作過(guò)程，回顧手動(dòng)操作步驟及其對應的儀器命令仍然很有價(jià)值。
定義DPT信號時(shí), 需要兩個(gè)不同脈寬的脈沖，第一個(gè)較長(cháng)的脈沖為線(xiàn)圈充電至目標電流，第二個(gè)較短的脈沖在線(xiàn)圈電流衰減之前啟用導通測量。要在A(yíng)FG上生成此類(lèi)信號，可定義一個(gè)具有正確脈沖寬度的自定義波形。該自定義波形需以Tektronix的“.wfm”或“.csv”格式保存，可通過(guò)Microsoft Excel等電子表格軟件構建。通過(guò)指定時(shí)間和電壓對（X,Y）構建分段線(xiàn)性數據格式，并將文件保存為“.csv”文件。
6系列MSO的AFG選件可發(fā)送指定重復次數的突發(fā)序列。從前面板操作時(shí)，可通過(guò)AFG輸出控制選擇突發(fā)模式，并設置周期數。在此案例中，我們將使用AFG的任意波形功能定義完整的DPT柵極驅動(dòng)信號（見(jiàn)圖6），并設置突發(fā)模式以輸出1個(gè)信號周期。
要配置AFG使用自定義波形，必須將波形類(lèi)型設置為“任意”，并選擇為測試定義的自定義波形文件。高電平和低電平以及周期可根據具體測試進(jìn)行調整。
盡管可以手動(dòng)執行這些操作，但手動(dòng)調整脈沖寬度和加載自定義波形文件非常不便。Qorvo開(kāi)發(fā)的一款程序極大地簡(jiǎn)化了波形規范和AFG設置。
圖6：AFG設置對話(huà)框。對于DPT，使用任意波形提供柵極驅動(dòng)信號。
將示波器連接到PC
為了增加測試設置與操作員之間的物理距離并提高安全性，可以通過(guò)以太網(wǎng)LAN或USB將6系列MSO連接到PC。通過(guò)LAN連接時(shí)，未安裝Windows的6系列MSO可通過(guò)e*Scope Web服務(wù)器輕松實(shí)現遠程控制。安裝了 Windows 的儀器可以通過(guò)遠程桌面進(jìn)行控制。除了這種遠程控制功能外，LAN連接還可用于上傳本文檔中介紹的“.csv”文件到示波器，并生成DPT信號。
6系列MSO還可以通過(guò)USB通信，本文中介紹的DPT程序也可以通過(guò)USB使用。然而，通過(guò)USB無(wú)法使用e*Scope遠程接口。以下部分提供了使用LAN和USB的示例。
DPT程序使用PyVISA Python庫，該庫支持大多數儀器接口。因此，可以將代碼調整為通過(guò)RS-232或GPIB等其他接口支持其他儀器。
實(shí)際測試運行示例及測量
在實(shí)際DUT上執行DPT程序的過(guò)程中所有6系列MSO的屏幕截圖均來(lái)自使用Qorvo的DPT測試板作為DUT的測試。DUT和DPT設置的相關(guān)信息如下：
DUT：Qorvo的1200V SiC共源極器件
柵極驅動(dòng)：+15V和-3V，雙極性驅動(dòng)
DC電源母線(xiàn)電壓：500 V
電感器：300mH手工纏繞線(xiàn)圈
高側FET：不驅動(dòng)，保持二極管導通模式
通道配置：
- CH1：使用TPP1000探頭通過(guò)MMCX SMD連接器測量柵極-源極電壓
- CH2：通過(guò)5mΩ電流測量電阻(CVR)和TIVP1 IsoVu 1 GHz光學(xué)隔離電壓探頭測量漏極電流
- CH3：使用THDP0100高電壓差分探頭（6kV范圍）測量漏極-源極電壓
- CH4：通過(guò)Rogowski電流探頭測量線(xiàn)圈電流
圖13：技術(shù)細節的DPT示例。
運行帶有參數 “1 55 0.5 0.5 0.5 0.5”的程序后，如圖13所示，AFG加載完成并準備進(jìn)行三脈沖測試。
圖14: 程序運行后的AFG對話(huà)框，顯示由程序配置的設置
在圖14中的對話(huà)框中，我們可以確認程序設置了以下參數（從左上到右下）：
突發(fā)模式：已選擇
突發(fā)計數：設置為1
任意波形：已選擇
臨時(shí)CSV文件：已選擇
周期：設置為57.2微秒（儀器計算的頻率為17.48kHz）。57.2微秒的周期由以下部分構成：
- 0.1微秒的起始時(shí)間（關(guān)閉）
- 55微秒的第一個(gè)脈沖寬度
- 0.5微秒的第一個(gè)關(guān)閉時(shí)間
- 0.5微秒的第二個(gè)脈沖寬度
- 0.5微秒的第二個(gè)關(guān)閉時(shí)間
- 0.5微秒的第三個(gè)脈沖寬度
- 0.1微秒的結束時(shí)間（關(guān)閉）
高電平和低電平：分別設置為5V和0V（儀器計算的振幅為5Vpp，偏置為2.5V）。
負載阻抗：設置為高阻抗（High Z）。
無(wú)添加噪聲
圖15：放大后的波形顯示三脈沖DPT的結果。使用6系列MSO上的WBG-DPT軟件計算的VDS_peak、ID_peak、EON和EOFF測量值顯示在測量標牌中。
需要注意的是，為了獲得準確的能量損耗測量結果，必須消除電流和電壓探頭之間的偏移（去偏）。這一操作已在圖15所示的測試運行之前完成。VDS_peak、ID_peak、EON和EOFF測量值是通過(guò)6系列MSO的WBG-DPT雙脈沖測量軟件包完成的（下一節會(huì )詳細介紹）。最重要的是，我們可以看到Qorvo的DUT在1MHz PWM開(kāi)關(guān)頻率下硬開(kāi)關(guān)了100A 電流，并保持了干凈的方波脈沖形狀。
自動(dòng)化DPT測量
在完成系統配置后，需要考慮實(shí)際的開(kāi)關(guān)測量。如圖15所示的能量損耗測量可以通過(guò)示波器上的數學(xué)功能定義。然而，圖15中顯示的測量結果是使用6系列MSO上的WBG-DPT雙脈沖測試軟件完成的。該自動(dòng)化DPT測試軟件包符合JEDEC和IEC標準，適用于SiC/GaN MOSFET等寬禁帶 (WBG) 器件以及 IGBT 的 DPT 測試。
此外，Tektronix和Keithley提供獨立的任意波形發(fā)生器和直流電源，以補充雙脈沖測試的完整解決方案。
圖16：適用于4/5/6系列MSO的WBG-DPT選項，可自動(dòng)化雙脈沖測試的測量，包括開(kāi)關(guān)參數、時(shí)間、二極管恢復和電容分析。
圖17：WBG-DPT軟件包自動(dòng)設置功率波形和積分，以提供能量損耗測量，例如圖中詳細顯示的EON測量值。
總結
正如本應用筆記中所示，5系列或6系列MSO的內部AFG可用于生成雙脈沖信號，同時(shí)示波器采集信號。專(zhuān)門(mén)設計的雙脈沖測試軟件 (WBG-DPT) 有助于簡(jiǎn)化關(guān)鍵測量過(guò)程，利用示波器的內部AFG生成雙脈沖柵極驅動(dòng)信號，為雙脈沖測試提供了有效的解決方案。這種方法簡(jiǎn)化了雙脈沖測試并降低了系統成本，同時(shí)減少了接地點(diǎn)的數量。此外，測試可以完全通過(guò)遠程控制進(jìn)行，這使得工程師能夠在高電壓、高電流的DUT環(huán)境下與測試系統保持安全距離。
關(guān)于泰克科技
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