功率器件動(dòng)態(tài)參數測試系統選型避坑指南

  按照被測器件的封裝類(lèi)型，功率器件動(dòng)態(tài)參數測試系統分為針對分立器件和功率模塊兩大類(lèi)。長(cháng)期以來(lái)，針對功率模塊的測試系統占據絕大部分市場(chǎng)份額，針對分立器件的測試系統需求較少，選擇也很局限。隨著(zhù)我國功率器件國產(chǎn)化進(jìn)程加快，功率器件廠(chǎng)商和系統應用企業(yè)也越來(lái)越重視功率器件動(dòng)態(tài)參數測試，特別是針對分立器件的測試系統提出了越來(lái)越多的需求。

  縱觀(guān)現階段市場(chǎng)上能夠提供的功率器件動(dòng)態(tài)參數測試系統，其技術(shù)和服務(wù)層次不齊。非常容易出現實(shí)際測試效果無(wú)法達到規格書(shū)的情況，甚至有的測試系統連基礎的測試功能都不具備，使得用戶(hù)花了冤枉錢(qián)，也浪費了大量的時(shí)間和精力。

  為了避免上述問(wèn)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(dòng)態(tài)參數測試系統選型時(shí)避坑。

  01：滿(mǎn)足的測試電壓、電流范圍

  我們在選擇測試系統時(shí)，首先面臨的問(wèn)題是測試系統能夠測試器件的電壓和電流范圍。測試系統的規格書(shū)上一般會(huì )標注“最大xxxV / xxxA”，但這樣的標注方式是遠遠不夠的，會(huì )出現在低于最大電壓時(shí)達不到最大電流的情況。

  設測試中負載電感為L(cháng)，母線(xiàn)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脈寬結束時(shí)母線(xiàn)電壓跌落比例為小于Kv時(shí)需滿(mǎn)足：

  可見(jiàn)τ用于使電流達到I，τ隨I和L的增大而增大，隨V的增大而減小。在實(shí)際測試中，τ的時(shí)間不宜過(guò)長(cháng)，負責會(huì )使得器件發(fā)熱嚴重影響測試結果。同時(shí)，C需要大于一定數值確保其在第1脈寬結束時(shí)母線(xiàn)電壓跌落比例為小于Kv，這樣才能夠保證在第2脈沖時(shí)母線(xiàn)電壓跌落在可接受范圍內，負責雙脈沖測試的開(kāi)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(shí)對τ又有要求上限要求，這些參數一同決定了能夠實(shí)現的測試電流。

  針對高壓器件，假設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C=3000uF、電容耐壓值200V、L=10uH/50uH/100uH、τ<20us。根據上邊的公式可以列出此時(shí)能夠實(shí)現的最大電流如下圖所示。

  高壓器件在400V測試條件下，負載電感選擇100uH時(shí)可達36A、選擇50uH時(shí)可達51A、選擇10uH時(shí)可達100A以上;在800V測試條件下，負載電感選擇100uH時(shí)可達72A、選擇50uH時(shí)可達101A，選擇10uH可達200A以上。

  低壓器件在20V測試條件下，負載電感選擇100uH時(shí)僅4A、選擇50uH時(shí)僅8A、選擇10uH時(shí)可達40A;在150V測試條件下，負載電感選擇100uH時(shí)可達30A、選擇50uH時(shí)可達60A、選擇10uH可達300A。

  高壓器件為了滿(mǎn)足高壓的測試需求，須選擇耐壓值高的母線(xiàn)電容，但此類(lèi)電容容值較小，如用該電容來(lái)測試低壓器件，能夠實(shí)現的最大電流將大打折扣。對于功率器件來(lái)說(shuō)，耐壓和導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，所以低壓器件應選擇容值更大的母線(xiàn)電容。此外，由上圖可知，在測試電壓相同，負載電感越小可實(shí)現的最大電流值越大，為了滿(mǎn)足低壓器件大電流的要求，也應選擇感量更小的負載電感。

  由此可見(jiàn)，測試系統能夠實(shí)現的最大測試電流由C、L、V、τmax共同決定。大家在進(jìn)行測試系統選擇時(shí)，就可以通過(guò)上述方法進(jìn)行計算，考察其是否能夠滿(mǎn)足測試需求。

  02：支持的器件封裝類(lèi)型

  長(cháng)期以來(lái)，針對分立器件的測試系統選擇很少，其中一個(gè)原因是分立器件的封裝種類(lèi)很多導致開(kāi)發(fā)成本和硬件成本高，特別對于貼片封裝器件更是如此。市面上大多數測試系統僅支持TO-247、TO-220這樣的插件器件，無(wú)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的應用場(chǎng)景。

  針對這一問(wèn)題，泰克科技推出的功率器件動(dòng)態(tài)參數測試系統DPT1000A采用轉接板的方式滿(mǎn)足了絕大多數封裝形式分立器件的測試需求。轉接板上采用socket對器件進(jìn)行電氣連接，轉接板再插入到測試電路上的socket上，能夠方便快速地實(shí)現被測器件及不同封裝的更換。

  03：示波器、探頭的測量能力

  合適的測量?jì)x器是測試系統能夠獲得精準的測試結果的基礎，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在測量?jì)x器選擇上存在很大的問(wèn)題，例如：

  使用基礎示波器測量高速MOSFET、高速I(mǎi)GBT、SiC MOSFET，由于帶寬和采樣率嚴重不足導致測試結果與實(shí)際值偏差較大

  使用ADC位數為8bit的示波器測量高電壓、大電流器件，由于分辨率低導致測量值精度差

  使用高差分探頭測量驅動(dòng)波形，導致波形噪聲大、震蕩嚴重

  使用羅氏線(xiàn)圈測量SiC MOSFET的端電流，由于帶寬嚴重不足導致測試結果與實(shí)際值偏差較大

  泰克針對被測信號的特征在功率器件動(dòng)態(tài)參數測試系統DPT1000A選擇使用了合適的測量?jì)x器以提升測試結果的精度。示波器選用MSO5B系列，帶寬最高可達2GHz、記錄長(cháng)度高達500M并具備12位ADC，可滿(mǎn)足高速開(kāi)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(wú)源探頭，帶寬可達1GHz、衰減倍數小并具備MMCX接口，可精準測量下管的驅動(dòng)電壓，并降低了接地線(xiàn)的影響。

  端電壓測量選用高壓差分探頭，在滿(mǎn)足寬電壓測量范圍的同時(shí)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，其帶寬達到1GHz以上，能夠滿(mǎn)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載電路，有時(shí)會(huì )需要對上橋臂器件進(jìn)行測量。很多測試系統使用高壓差分探頭測試上橋臂器件驅動(dòng)信號，測得的波形往往存在很?chē)乐氐恼鹗?，當測試高速MOSFET、高速I(mǎi)GBT、SiC MOSFET時(shí)情況更加嚴重。這種情況由于高壓差分探頭的共模抑制比在高頻下嚴重降低所導致的，此時(shí)測試系統實(shí)際上是不具備對上橋臂器件的測試能力的。

  動(dòng)態(tài)參數測試系統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±60kV，差分信號最高可達±2000V，帶寬最高可達1GHz，同時(shí)具有優(yōu)異的共模抑制比，在1GHz下仍可達-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、驅動(dòng)電路回路電感

  在測試電路中有兩個(gè)關(guān)鍵回路，即主電路回路和驅動(dòng)電路回路，它們對器件動(dòng)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。傳統的功率器件的開(kāi)關(guān)速度較慢，對上述兩個(gè)回路的寄生電感要求不高。但隨著(zhù)高速MOSFET、高速I(mǎi)GBT、SiC MOSFET的出現，原先功率器件動(dòng)態(tài)參數測試系統回路電感大的問(wèn)題就暴露出來(lái)了。

  具體來(lái)講，當主電路回路電感太大，會(huì )導致器件的關(guān)斷電壓降分過(guò)高，當其超過(guò)器件耐壓值時(shí)，就有可能導致器件過(guò)壓損壞。當驅動(dòng)電路回路電感過(guò)大時(shí)，會(huì )導導致驅動(dòng)波形出現嚴重震蕩，同時(shí)驅動(dòng)回路還容易受到器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的高di/dt的干擾，進(jìn)一步加劇震蕩，可能導致器件柵極過(guò)壓擊穿、器件誤導通導致橋臂直通。

  動(dòng)態(tài)參數測試系統DPT1000A針對這一問(wèn)題進(jìn)行了測試電路參數優(yōu)化，使其能夠測量包括SiC MOSFET的高速器件。驅動(dòng)電路貼近被測器件并采用PCB布線(xiàn)鏈接，盡可能減小了驅動(dòng)電路回路電感。同時(shí)，在母線(xiàn)電容選取、PCB布線(xiàn)、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。

  本文轉載自公眾號：功率器件顯微鏡

  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(jiǎn)便的測試、測量和監測解決方案，解決各種問(wèn)題，釋放洞察力，推動(dòng)創(chuàng )新能力。70多年來(lái)，泰克一直走在數字時(shí)代前沿。歡迎加入我們的創(chuàng )新之旅，敬請登錄：tek.com.cn