【導讀】SiC器件的快速開關(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(yīng)商Qorvo與Tektronix合作，基于實際的SiC被測器件 (DUT)，描述了實用的解決方案。
我們將高功率SiC器件定義為處理1kV和100A范圍內(nèi)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、高電流和快速開關(guān)系統(tǒng)的性質(zhì)帶來了許多在普通5V或12V系統(tǒng)中不會出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。例如：
100A量級的電流會將印刷電路板 (PCB) 導線暴露為寄生電阻元件，從而產(chǎn)生顯著的IR壓降。
1000V量級的電壓會使微小的寄生電容儲存大量電荷，從而在開關(guān)操作中導致顯著的功率損耗。
SiC器件的快速開關(guān)能力使所有導體元件表現(xiàn)為寄生電感元件，從而在開關(guān)操作中引發(fā)不必要的反電勢電壓突波。
根據(jù)Maxwell的理論，快速開關(guān)的電容器和電感器會產(chǎn)生電磁活動，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行穩(wěn)固的探測，但上述挑戰(zhàn)要求連接長度盡可能短。此外，處理這些龐大的探頭和電纜時，還需注意安全，以避免短路事件或損壞。因此，測試設(shè)置必須保持整潔和簡化。
上述反電勢電壓突波輕松達到50V至60V，這超出了大多數(shù)測量設(shè)備從地面測量的最大允許峰值電壓限制。這使得在測試設(shè)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(yīng)商Qorvo與Tektronix合作，基于實際的SiC被測器件 (DUT)，描述了實用的解決方案。
圖 1. Qorvo 提供具有極低 R 的高電壓、大電流 SiC FETDS 系列（開）。
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，需要進行靜態(tài)和動態(tài)測量。測量WBG器件的開關(guān)參數(shù)和二極管反向恢復參數(shù)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) 的開啟、關(guān)閉以及反向恢復過程中測量一系列重要參數(shù)。基本測試設(shè)置如圖2所示。假設(shè)高側(cè)和低側(cè)使用相同的晶體管器件，高側(cè)晶體管可以保持關(guān)閉狀態(tài)，從而可以測量開關(guān)損耗和反向恢復損耗。為了確定電路中的DPT開關(guān)參數(shù)，需要觀察低側(cè)器件的 VDS、ID和VGS。二極管的反向恢復參數(shù)則通過測量高側(cè)器件的ID和VDS來確定。DPT設(shè)置必須向隔離柵極驅(qū)動器生成至少兩個不同脈寬的脈沖，以觸發(fā) FET 或IGBT并控制電流的導通。這些脈沖可以通過任意波形發(fā)生器 (AFG) 生成。圖2是簡化的示意圖，未顯示柵極驅(qū)動器。在實際應(yīng)用中，AFG通常會連接隔離柵極驅(qū)動器，如圖4所示。圖3展示了DPT波形的示例。
圖2：在低側(cè)DPT測試中，高側(cè)FET關(guān)閉，低側(cè)FET開關(guān)。此簡化設(shè)置展示了信號流的基本情況。在實際測試設(shè)置中，功能發(fā)生器會驅(qū)動一個隔離柵極驅(qū)動器（詳見圖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(cè)顯示低側(cè)柵極信號。在第一階段，DUT導通，電流（右圖紅色部分）通過電感器建立；在第二階段，DUT關(guān)閉；在第三階段，DUT再次導通——電流出現(xiàn)瞬時尖峰，因為高側(cè)二極管的電流發(fā)生反向，然后電流通過電感器繼續(xù)增加，直到DUT再次關(guān)閉。
Qorvo的測試設(shè)置
在對100kW范圍內(nèi)的DUT進行測試時，我們最關(guān)心的是操作人員在執(zhí)行DPT測量時的安全。在建立可重復、可靠的DPT電路板和設(shè)置之前，驗證概念原型時的安全措施尤為重要。最有效的安全策略是通過移除如電纜和探頭頭部等雜亂元件，保持測試設(shè)置簡潔。
作為6系列MSO示波器的用戶，Qorvo發(fā)現(xiàn)幾乎所有必要的測量都可以通過6系列MSO和安裝的AFG選件完成。簡而言之，6系列MSO的內(nèi)置AFG可以從其后面板生成雙脈沖，同時其輸入端的探頭可以收集信號信息。
圖4：DPT設(shè)置，Qorvo的方法。隔離高側(cè)柵極驅(qū)動器的輸入接地，并向高側(cè)FET提供-3V電壓以保持其關(guān)閉。低側(cè)隔離柵極驅(qū)動器由示波器的 AFG 輸出提供信號，控制低側(cè)FET的開啟（+15V）和關(guān)閉（-3V）。TIVP1 IsoVu光學隔離探頭直接連接到電流觀測電阻 (CVR)，以盡可能減少電氣布線的方式測量ID-LOW引起的電壓降。
圖5：Qorvo測試設(shè)置的照片，放置在防護箱中。
采用建議的6系列MSO DPT設(shè)置的優(yōu)勢包括：
? 輕松識別測量接地：
6系列MSO內(nèi)部的所有接地都連接到底盤（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）
? 簡化布線/電纜連接
? 通過PC進行全遠程控制：
6系列MSO可以通過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程中與測試系統(tǒng)保持安全距離。
為了完成測量設(shè)置并利用6系列MSO的AFG選件，必須開發(fā)一種方法，在AFG上生成DPT柵極驅(qū)動信號。
使用任意波形作為柵極驅(qū)動信號
本文提供了一種編程方法，通過6系列MSO的內(nèi)置AFG自動生成柵極驅(qū)動信號。建議使用這種自動化方法以提升速度、靈活性和可重復性。然而，為了理解程序操作過程，回顧手動操作步驟及其對應(yīng)的儀器命令仍然很有價值。
定義DPT信號時, 需要兩個不同脈寬的脈沖，第一個較長的脈沖為線圈充電至目標電流，第二個較短的脈沖在線圈電流衰減之前啟用導通測量。要在AFG上生成此類信號，可定義一個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Microsoft Excel等電子表格軟件構(gòu)建。通過指定時間和電壓對（X,Y）構(gòu)建分段線性數(shù)據(jù)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(shù)的突發(fā)序列。從前面板操作時，可通過AFG輸出控制選擇突發(fā)模式，并設(shè)置周期數(shù)。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(qū)動信號（見圖6），并設(shè)置突發(fā)模式以輸出1個信號周期。
要配置AFG使用自定義波形，必須將波形類型設(shè)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(jù)具體測試進行調(diào)整。
盡管可以手動執(zhí)行這些操作，但手動調(diào)整脈沖寬度和加載自定義波形文件非常不便。Qorvo開發(fā)的一款程序極大地簡化了波形規(guī)范和AFG設(shè)置。
圖6：AFG設(shè)置對話框。對于DPT，使用任意波形提供柵極驅(qū)動信號。
將示波器連接到PC
為了增加測試設(shè)置與操作員之間的物理距離并提高安全性，可以通過以太網(wǎng)LAN或USB將6系列MSO連接到PC。通過LAN連接時，未安裝Windows的6系列MSO可通過e*Scope Web服務(wù)器輕松實現(xiàn)遠程控制。安裝了 Windows 的儀器可以通過遠程桌面進行控制。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USB通信，本文中介紹的DPT程序也可以通過USB使用。然而，通過USB無法使用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(shù)儀器接口。因此，可以將代碼調(diào)整為通過RS-232或GPIB等其他接口支持其他儀器。
實際測試運行示例及測量
在實際DUT上執(zhí)行DPT程序的過程中所有6系列MSO的屏幕截圖均來自使用Qorvo的DPT測試板作為DUT的測試。DUT和DPT設(shè)置的相關(guān)信息如下：
DUT：Qorvo的1200V SiC共源極器件
柵極驅(qū)動：+15V和-3V，雙極性驅(qū)動
DC電源母線電壓：500 V
電感器：300mH手工纏繞線圈
高側(cè)FET：不驅(qū)動，保持二極管導通模式
通道配置：
- CH1：使用TPP1000探頭通過MMCX SMD連接器測量柵極-源極電壓
- CH2：通過5mΩ電流測量電阻(CVR)和TIVP1 IsoVu 1 GHz光學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Rogowski電流探頭測量線圈電流
圖13：技術(shù)細節(jié)的DPT示例。
運行帶有參數(shù) “1 55 0.5 0.5 0.5 0.5”的程序后，如圖13所示，AFG加載完成并準備進行三脈沖測試。
圖14: 程序運行后的AFG對話框，顯示由程序配置的設(shè)置
在圖14中的對話框中，我們可以確認程序設(shè)置了以下參數(shù)（從左上到右下）：
突發(fā)模式：已選擇
突發(fā)計數(shù)：設(shè)置為1
任意波形：已選擇
臨時CSV文件：已選擇
周期：設(shè)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(gòu)成：
- 0.1微秒的起始時間（關(guān)閉）
- 55微秒的第一個脈沖寬度
- 0.5微秒的第一個關(guān)閉時間
- 0.5微秒的第二個脈沖寬度
- 0.5微秒的第二個關(guān)閉時間
- 0.5微秒的第三個脈沖寬度
- 0.1微秒的結(jié)束時間（關(guān)閉）
高電平和低電平：分別設(shè)置為5V和0V（儀器計算的振幅為5Vpp，偏置為2.5V）。
負載阻抗：設(shè)置為高阻抗（High Z）。
無添加噪聲
圖15：放大后的波形顯示三脈沖DPT的結(jié)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(jié)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6系列MSO的WBG-DPT雙脈沖測量軟件包完成的（下一節(jié)會詳細介紹）。最重要的是，我們可以看到Qorvo的DUT在1MHz PWM開關(guān)頻率下硬開關(guān)了100A 電流，并保持了干凈的方波脈沖形狀。
自動化DPT測量
在完成系統(tǒng)配置后，需要考慮實際的開關(guān)測量。如圖15所示的能量損耗測量可以通過示波器上的數(shù)學功能定義。然而，圖15中顯示的測量結(jié)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，可自動化雙脈沖測試的測量，包括開關(guān)參數(shù)、時間、二極管恢復和電容分析。
圖17：WBG-DPT軟件包自動設(shè)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(jié)
正如本應(yīng)用筆記中所示，5系列或6系列MSO的內(nèi)部AFG可用于生成雙脈沖信號，同時示波器采集信號。專門設(shè)計的雙脈沖測試軟件 (WBG-DPT) 有助于簡化關(guān)鍵測量過程，利用示波器的內(nèi)部AFG生成雙脈沖柵極驅(qū)動信號，為雙脈沖測試提供了有效的解決方案。這種方法簡化了雙脈沖測試并降低了系統(tǒng)成本，同時減少了接地點的數(shù)量。此外，測試可以完全通過遠程控制進行，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(tǒng)保持安全距離。
關(guān)于泰克科技
泰克公司總部位于美國俄勒岡州畢佛頓市，致力提供創(chuàng)新、精確、操作簡便的測試、測量和監(jiān)測解決方案，解決各種問題，釋放洞察力，推動創(chuàng)新能力。70多年來，泰克一直走在數(shù)字時代前沿。
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