動態(tài)特性是功率器件的重要特性，在器件研發(fā)、系統(tǒng)應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究等各個環(huán)節(jié)都扮演著非常重要的角色。故對功率器件動態(tài)參數(shù)進(jìn)行測試是相關(guān)工作的一環(huán)，主要采用雙脈沖測試進(jìn)行。
按照被測器件的封裝類型，功率器件動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)分為針對分立器件和功率模塊兩大類。長期以來，針對功率模塊的測試系統(tǒng)占據(jù)絕大部分，針對分立器件的測試系統(tǒng)需求較少，選擇也很局限。隨著我國功率器件國產(chǎn)化進(jìn)程加快，功率器件廠商和系統(tǒng)應(yīng)用企業(yè)也越來越重視功率器件動態(tài)參數(shù)測試，特別是針對分立器件的測試系統(tǒng)提出了越來越多的需求。
縱觀現(xiàn)階段市場上能夠提供的功率器件動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)，其技術(shù)和服務(wù)層次不齊。非常容易出現(xiàn)實際測試效果無法達(dá)到規(guī)格書的情況，甚至有的測試系統(tǒng)連基礎(chǔ)的測試功能都不具備，使得用戶花了冤枉錢，也浪費了大量的時間和精力。
為了避免上述問題再發(fā)生在廣大工程師身上，本篇文章將帶領(lǐng)大家一起看看如何在進(jìn)行功率器件動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)選型時避坑。
01、滿足的測試電壓、電流范圍
我們在選擇測試系統(tǒng)時，首先面臨的問題是測試系統(tǒng)能夠測試器件的電壓和電流范圍。測試系統(tǒng)的規(guī)格書上一般會標(biāo)注“大xxxV / xxxA"，但這樣的標(biāo)注方式是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，會出現(xiàn)在低于大電壓時達(dá)不到大電流的情況。
設(shè)測試中負(fù)載電感為L，母線電容為C，測試電壓為V，測試電流為I，則雙脈沖第1脈寬τ、第1脈寬結(jié)束時母線電壓跌落比例為小于Kv時需滿足：
可見τ用于使電流達(dá)到I，τ隨I和L的增大而增大，隨V的增大而減小。在實際測試中，τ的時間不宜過長，負(fù)責(zé)會使得器件發(fā)熱嚴(yán)重影響測試結(jié)果。同時，C需要大于一定數(shù)值確保其在第1脈寬結(jié)束時母線電壓跌落比例為小于Kv，這樣才能夠保證在第2脈沖時母線電壓跌落在可接受范圍內(nèi)，負(fù)責(zé)雙脈沖測試的開通和關(guān)斷的電壓不一致。C隨I和L的增大而增大，隨V和Kv的增大而減小。測試中，C和L是由硬件條件確定的，V由測試條件給定，同時對τ又有要求上限要求，這些參數(shù)一同決定了能夠?qū)崿F(xiàn)的測試電流。
針對高壓器件，假設(shè)C=40uF、電容耐壓值1100V、L=10uH/50uH/100uH、τ的上限τmax<20us；針對低壓器件，假設(shè)C=3000uF、電容耐壓值200V、L=10uH/50uH/100uH、τ<20us。根據(jù)上邊的公式可以列出此時能夠?qū)崿F(xiàn)的大電流如下圖所示。
高壓器件在400V測試條件下，負(fù)載電感選擇100uH時可達(dá)36A、選擇50uH時可達(dá)51A、選擇10uH時可達(dá)100A以上；在800V測試條件下，負(fù)載電感選擇100uH時可達(dá)72A、選擇50uH時可達(dá)101A，選擇10uH可達(dá)200A以上。
低壓器件在20V測試條件下，負(fù)載電感選擇100uH時僅4A、選擇50uH時僅8A、選擇10uH時可達(dá)40A；在150V測試條件下，負(fù)載電感選擇100uH時可達(dá)30A、選擇50uH時可達(dá)60A、選擇10uH可達(dá)300A。
高壓器件為了滿足高壓的測試需求，須選擇耐壓值高的母線電容，但此類電容容值較小，如用該電容來測試低壓器件，能夠?qū)崿F(xiàn)的大電流將大打折扣。對于功率器件來說，耐壓和導(dǎo)通電阻是一對矛盾的關(guān)系，低壓器件往往需要更大測試電流，所以低壓器件應(yīng)選擇容值更大的母線電容。此外，由上圖可知，在測試電壓相同，負(fù)載電感越小可實現(xiàn)的大電流值越大，為了滿足低壓器件大電流的要求，也應(yīng)選擇感量更小的負(fù)載電感。
由此可見，測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的大測試電流由C、L、V、τmax共同決定。大家在進(jìn)行測試系統(tǒng)選擇時，就可以通過上述方法進(jìn)行計算，考察其是否能夠滿足測試需求。
02、支持的器件封裝類型
長期以來，針對分立器件的測試系統(tǒng)選擇很少，其中一個原因是分立器件的封裝種類很多導(dǎo)致開發(fā)成本和硬件成本高，特別對于貼片封裝器件更是如此。市面上大多數(shù)測試系統(tǒng)僅支持TO-247、TO-220這樣的插件器件，無法對其他封裝形式的器件進(jìn)行測試，極大地限制了測試系統(tǒng)的應(yīng)用場景。
針對這一問題，泰克科技推出的功率器件動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)DPT1000A采用轉(zhuǎn)接板的方式滿足了絕大多數(shù)封裝形式分立器件的測試需求。轉(zhuǎn)接板上采用socket對器件進(jìn)行電氣連接，轉(zhuǎn)接板再插入到測試電路上的socket上，能夠方便快速地實現(xiàn)被測器件及不同封裝的更換。
03、滿足的測試電壓、電流范圍
合適的測量儀器是測試系統(tǒng)能夠獲得精準(zhǔn)的測試結(jié)果的基礎(chǔ)，主要包括示波器、電壓探頭、電流探頭。我們可以看到一些測試系統(tǒng)在測量儀器選擇上存在很大的問題，例如：
使用基礎(chǔ)示波器測量高速MOSFET、高速IGBT、SiC MOSFET，由于帶寬和采樣率嚴(yán)重不足導(dǎo)致測試結(jié)果與實際值偏差較大
使用ADC位數(shù)為8bit的示波器測量高電壓、大電流器件，由于分辨率低導(dǎo)致測量值精度差
使用高差分探頭測量驅(qū)動波形，導(dǎo)致波形噪聲大、震蕩嚴(yán)重
使用羅氏線圈測量SiC MOSFET的端電流，由于帶寬嚴(yán)重不足導(dǎo)致測試結(jié)果與實際值偏差較大
泰克針對被測信號的特征在功率器件動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)DPT1000A選擇使用了合適的測量儀器以提升測試結(jié)果的精度。示波器選用MSO5B系列，帶寬高可達(dá)2GHz、記錄長度高達(dá)500M并具備12位ADC，可滿足高速開關(guān)對帶寬的要求且具備較高的采樣率、更低的噪聲和更高的垂直分辨率。柵極波形測量選用無源探頭，帶寬可達(dá)1GHz、衰減倍數(shù)小并具備MMCX接口，可精準(zhǔn)測量下管的驅(qū)動電壓，并降低了接地線的影響。
端電壓測量選用高壓差分探頭，在滿足寬電壓測量范圍的同時具有更大的輸入阻抗，提供了安全的測試保障。端電流測試選用shunt電阻，其帶寬達(dá)到1GHz以上，能夠滿足高速器件對帶寬的要求。
04、上管測試能力
雙脈沖測試采用的是半橋電感負(fù)載電路，有時會需要對上橋臂器件進(jìn)行測量。很多測試系統(tǒng)使用高壓差分探頭測試上橋臂器件驅(qū)動信號，測得的波形往往存在很嚴(yán)重的震蕩，當(dāng)測試高速MOSFET、高速IGBT、SiC MOSFET時情況更加嚴(yán)重。
這種情況由于高壓差分探頭的共模抑制比在高頻下嚴(yán)重降低所導(dǎo)致的，此時測試系統(tǒng)實際上是不具備對上橋臂器件的測試能力的。
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動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)DPT1000A中，選用了泰克的IsoVu光隔離探頭進(jìn)行上橋臂器件的測試。IsoVu光隔離探頭共模電壓高達(dá)±60kV，差分信號高可達(dá)±2000V，帶寬高可達(dá)1GHz，同時具有優(yōu)異的共模抑制比，在1GHz下仍可達(dá)-90dB。如此優(yōu)異的特性確保了對上橋臂器件的測試能力。
05、主電路、驅(qū)動電路回路電感
在測試電路中有兩個關(guān)鍵回路，即主電路回路和驅(qū)動電路回路，它們對器件動態(tài)特性的影響極大，也是評判測試電路性能好壞的關(guān)鍵指標(biāo)。傳統(tǒng)的功率器件的開關(guān)速度較慢，對上述兩個回路的寄生電感要求不高。但隨著高速MOSFET、高速IGBT、SiC MOSFET的出現(xiàn)，原先功率器件動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)回路電感大的問題就暴露出來了。
具體來講，當(dāng)主電路回路電感太大，會導(dǎo)致器件的關(guān)斷電壓降分過高，當(dāng)其超過器件耐壓值時，就有可能導(dǎo)致器件過壓損壞。當(dāng)驅(qū)動電路回路電感過大時，會導(dǎo)導(dǎo)致驅(qū)動波形出現(xiàn)嚴(yán)重震蕩，同時驅(qū)動回路還容易受到器件在開關(guān)過程中產(chǎn)生的高di/dt的干擾，進(jìn)一步加劇震蕩，可能導(dǎo)致器件柵極過壓擊穿、器件誤導(dǎo)通導(dǎo)致橋臂直通。
動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)DPT1000A針對這一問題進(jìn)行了測試電路參數(shù)優(yōu)化，使其能夠測量包括SiC MOSFET的高速器件。驅(qū)動電路貼近被測器件并采用PCB布線鏈接，盡可能減小了驅(qū)動電路回路電感。同時，在母線電容選取、PCB布線、電流采樣方式上進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步降低了主電路回路電感。
