功率變換器是電能利用的重要裝置，其性能主要取決于其核心—功率半導(dǎo)體器件，常見(jiàn)類(lèi)型有 MOSFET、IGBT和二極管。傳統(tǒng)Si器件已逼近材料極限，成為進(jìn)一步提升效率和功率密度的瓶頸。SiC器件憑借更高開(kāi)關(guān)速度、高結(jié)溫下同時(shí)承受高壓大電流等特性，可顯著提升轉(zhuǎn)換效率、功率密度并降低系統(tǒng)成本，特別適用于車(chē)載逆變器、電動(dòng)汽車(chē)充電樁、光伏、UPS、儲(chǔ)能及工業(yè)電源等場(chǎng)景。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外 SiC產(chǎn)業(yè)鏈加速成熟，主流廠商已推出多款 SiC產(chǎn)品，成本持續(xù)下降，應(yīng)用正呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。

圖1 雙脈沖測(cè)試電路

功率半導(dǎo)體測(cè)試需求與挑戰(zhàn)

功率半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試（雙脈沖測(cè)試）是功率半導(dǎo)體研發(fā)與應(yīng)用中的核心評(píng)估工具，不僅提供關(guān)鍵動(dòng)態(tài)參數(shù)，還通過(guò)模擬實(shí)際工況揭示器件的潛在風(fēng)險(xiǎn)與優(yōu)化方向。

以SiC和GaN為代表的第三代半導(dǎo)體的快速發(fā)展和應(yīng)用給新能源汽車(chē)行業(yè)、電源行業(yè)等帶來(lái)顛覆性的變化，也給設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了非常大的測(cè)試挑戰(zhàn)。如何保證選用的高速功率器件能穩(wěn)定可靠的運(yùn)行在自己的產(chǎn)品中，需要了解功率器件的動(dòng)態(tài)特性。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，RIGOL提供了專(zhuān)業(yè)的功率半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試解決方案，助力工程師實(shí)現(xiàn)高效評(píng)估與優(yōu)化器件性能。

圖2 二極管反向恢復(fù)測(cè)試電路

功率半導(dǎo)體測(cè)試目的及原理

保證選用的高速功率器件能穩(wěn)定可靠的運(yùn)行在自己的產(chǎn)品中，需要了解功率器件的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)如下測(cè)試目的：

●   測(cè)量關(guān)鍵動(dòng)態(tài)參數(shù)。測(cè)量開(kāi)關(guān)損耗、開(kāi)關(guān)時(shí)間、反向恢復(fù)特性等動(dòng)態(tài)參數(shù)，用于優(yōu)化系統(tǒng)效率、評(píng)估器件響應(yīng)速度、判斷其在換流過(guò)程中的安全裕量。

●   驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。評(píng)估柵極驅(qū)動(dòng)電阻的合理性，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升/下降斜率以減少開(kāi)關(guān)震蕩。測(cè)試驅(qū)動(dòng)芯片的保護(hù)功能是否有效。

●   對(duì)比器件性能。在不同的電壓、電流、溫度條件下測(cè)試，對(duì)比不同材料（Si IGBT和SiC MOSFET）或不同廠商器件的性能差異，支持選型決策。

●   分析寄生參數(shù)影響。

●   評(píng)估極端工況下的可靠性。

如圖1所示，以SiC MOSFET為例。雙脈沖測(cè)試電路由母線電容CBus、被測(cè)開(kāi)關(guān)管QL、陪測(cè) 二極管VDH、驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載電感L組成。測(cè)試中，向QL發(fā)送雙脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就可以獲得 QL在指定電壓和電流下的開(kāi)關(guān)特性。實(shí)際功率變換器的換流模式有MOS-二極管和MOSMOS兩種形式，進(jìn)行脈沖測(cè)試時(shí)需要選擇與實(shí)際變換器相同的形式和器件。對(duì)于MOS-MOS 形式，只需要將二極管VDH換成SiC MOSFET QH，并在測(cè)試中一直施加關(guān)斷信號(hào)即可。

在測(cè)試二極管反向恢復(fù)特性時(shí)，被測(cè)管為下管，負(fù)載電感并聯(lián)在其兩端，陪測(cè)管為上管，測(cè)試中進(jìn)行開(kāi)通關(guān)斷動(dòng)作，如圖2所示。在整個(gè)測(cè)試中，QL進(jìn)行了兩次開(kāi)通和關(guān)斷，形成了兩個(gè)脈沖，測(cè)量并保留QL的VGS、VDS、IDS波形，就可以對(duì)其第一次關(guān)斷和第二次開(kāi)通時(shí)動(dòng)態(tài) 特性進(jìn)行分析和評(píng)估了。

圖3 雙脈沖測(cè)試桌面系統(tǒng)

RIGOL功率半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)測(cè)試方案

RIGOL功率半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試方案，支持單脈沖、雙脈沖及多脈沖測(cè)試，集成了示波器、信號(hào)發(fā)生器、低壓直流電源、高壓直流電源、電壓電流探頭和軟件。測(cè)試項(xiàng)目包括關(guān)斷參數(shù)、開(kāi)通參數(shù)和反向恢復(fù)參數(shù)。具體有關(guān)斷延遲td(off))、下降時(shí)間tf、關(guān)斷時(shí)間toff、關(guān)斷能量損耗Eoff、開(kāi)通延遲td(on)、上升時(shí)間tr、開(kāi)通時(shí)間ton、開(kāi)通能量損耗Eon、反向恢復(fù) 時(shí)間trr、反向恢復(fù)電流Irr、反向恢復(fù)電荷Qrr、反向恢復(fù)能量Err、電壓變化率dv/dt和電流 變化率di/dt等。

RIGOL系統(tǒng)級(jí)測(cè)試平臺(tái)三大硬核利器包括MHO/DHO5000系列高分辨率示波器、PIA1000光隔離探頭、DG5000 Pro系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器。

圖4 雙脈沖測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

雙脈沖測(cè)試平臺(tái)

雙脈沖測(cè)試是評(píng)估功率器件動(dòng)態(tài)特性的黃金標(biāo)準(zhǔn)。RIGOL方案包含以下核心組件：

●   DG5000 Pro信號(hào)發(fā)生器：生成高精度雙脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，支持死區(qū)時(shí)間控制。

●   PIA1000光隔離探頭：1GHz帶寬、180dB共模抑制比，精準(zhǔn)測(cè)量浮地信號(hào)（如上管Vgs）。

●   MHO/DHO5000系列示波器：12bit高分辨率、4GSa/s采樣率、500Mpts存儲(chǔ)深度，支持多通道同步捕獲Vgs、Vds、Ids等信號(hào)。

圖5 下降時(shí)間測(cè)試Toff

汽車(chē)電子測(cè)試正從單一信號(hào)捕捉走向系統(tǒng)級(jí)功率分析，RIGOL功率半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)性能測(cè)試解決方案通過(guò)高帶寬采樣、光隔離測(cè)量與多脈沖激勵(lì)，把“毫厘級(jí)”的能量損耗轉(zhuǎn)化為可量化、可復(fù)現(xiàn)、可對(duì)比的數(shù)據(jù)，幫助客戶在第三代半導(dǎo)體時(shí)代“測(cè)得準(zhǔn)、跑得遠(yuǎn)”。如需了解更多技術(shù)細(xì)節(jié)及最新方案，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)RIGOL官網(wǎng)或聯(lián)系專(zhuān)業(yè)客服。