EA 10000 系列

引言

在汽车和工业应用中，由于硅基半导体性能的局限性， 功率电子中使用的半导体材料正逐渐从硅过渡到如碳 化硅（SiC）和氮化镓（GaN）这类宽禁带半导体。GaN 和SiC 支持更小、更快、更高效的设计。规制和经济压 力持续促使高压功率电子设计的效率提高。在空间受限 和/ 或移动应用（例如电动汽车）中，更小、更轻的设计 的功率密度优势尤为明显，而从系统成本降低的角度来 看，更紧凑的功率电子设备也普遍受到青睐。同时，随着 政府推出财政激励措施和更严格的能效规定，效率的重 要性日益增长。例如，欧盟的Eco-design 指令、美国能 源部2016 年效率标准、中国质量认证中心（CQC）标志 等全球实体发布的指南，都在管理电气产品和设备的能 效要求。从电力生成到消耗的各个阶段，功率电子都需 要实现更高的能效，如图1 所示。功率转换器在生成、 传输和消耗链的多个阶段运作，由于这些操作没有一个 是100% 高效的，因此每一步都会有一些功率损失。主 要由于热能损失，这些效率的整体下降在整个周期中不 断加剧.

然而，开关损耗是不可避免的。因此，目标是通过设计 优化来最小化损失。与效率相关的设计参数必须经过严 格的测量。 典型的转换器效率约为87% 到90%，这意味着10% 到 13% 的输入功率在转换器内部消耗掉，大部分以废热的 形式。这种损失的一大部分发生在开关设备如MOSFET 或IGBT 上。

理想情况下，开关设备只有“开”或“关”两种状态，如 图3 所示，并能瞬间在这两种状态间切换。在“开”状态时， 开关的阻抗为零欧姆，无论通过开关的电流有多大，都不 会在开关中耗散任何功率。在“关”状态时，开关的阻抗 为无限大，无电流流过，因此不耗散任何功率。 然而，实际上在“开”到“关”（关断）和“关”到“开”（开 通）的转换过程中会耗散功率。这些非理想行为是由于电 路中的寄生元件造成的。如图4 所示，门极上的寄生电容 会减缓器件的切换速度，延长开通和关断时间。MOSFET 的漏极和源极之间的寄生电阻在漏电流流动时会耗散功 率。

还需要考虑MOSFET 体二极管的反向恢复损失。二极 管的反向恢复时间是衡量二极管切换速度的一个指标， 因此会影响转换器设计中的切换损失。

因此，设计工程师需要测量所有这些时间参数，以尽量 减少切换损失，从而设计出更高效的转换器。

什么是双脉冲测试？

双脉冲测试是一种测量功率设备的切换参数和评估动态 行为的方法。使用这种应用的用户通常希望测量以下切换 参数：

• 开通参数：开通延迟（t d(on)）、上升时间（tr）、开通时间（t on）、 开通能量（Eon）、电压变化率（dv/dt）和电流变化率（di/ dt）。然后确定能量损失。

• 关断参数：关断延迟（td(off )）、下降时间（tf）、关断时 间（toff）、关断能量（Eoff）、电压变化率（dv/dt）和电 流变化率（di/dt）。然后确定能量损失。

• 反向恢复参数：反向恢复时间（trr）、反向恢复电流（Irr）、 反向恢复电荷（Qrr）、反向恢复能量（Err）、电流变化率（di / dt）和正向导通电压（Vsd）。

此测试的执行目的是：

• 保证像MOSFET 和IGBT 这类功率设备的规格。

• 确认功率设备或功率模块的实际值或偏差。

• 在各种负载条件下测量这些切换参数，并验证多个设备的 性能。

• 第一步，由第一次开通脉冲代表，是初始调整的脉宽。这 建立了电感中的电流。调整此脉冲以达到图8 所示的所需 测试电流（Id）。

• 第二步（2）是关闭第一个脉冲，这在自由轮二极管中产 生电流。关断周期很短，以保持电感中的负载电流尽可能 接近恒定值。图8 显示低侧MOSFET 上的Id 在第二步 归零；然而，电流通过电感和高侧二极管流动。这可以在 图6 和图7 中看到，电流通过高侧MOSFET（未被开通的 MOSFET）的二极管流动。

• 第三步（3）由第二次开通脉冲代表。脉冲宽度比第一次脉 冲短，以防设备过热。第二个脉冲需要足够长，以便进行 测量。图8 中看到的电流超调是由于高侧MOSFET/IGBT 的自由轮二极管反向恢复所致。

• 然后在第一次脉冲的关断和第二次脉冲的开通时捕获关 断和开通时间测量。

下一部分将讨论测试设置和测量方式。

双脉冲测试设置

图9 展示了进行双脉冲测试的设备设置。需要以下设备：

• AFG31000：连接到隔离门驱动器，并使用设备上的双脉 冲测试应用快速生成不同脉宽的脉冲。隔离门驱动器用于 开通MOSFET。

• 示波器：4/5/6 系列MSO（此设置使用Tektronix 5 系列 MSO）：测量VDS、VGS 和ID。

• 示波器上的双脉冲测试软件：4/5/6 系列MSO 上的Opt. WBG-DPT，用于自动化测量。

• 用于低侧设备和高侧二极管反向恢复的探头：

  低侧探测：

  高侧探测：

• – Ch4：IRR - TCP 系列电流探头

• – Ch5：VDS - THDP/TMDP 系列电压探头

• – Ch1：VDS - TPP 系列或THDP/TMDP 系列电压探头

• – Ch2：VGS - TPP 系列或带MMCX 适配器jian端的TIVP 隔 离探头。

• – Ch3：ID - TCP 系列电流探头

• 直流电源

  高压电源：

  门驱动电路电源：

• – 2230 系列或2280S 系列直流电源

• – EA-PSI 10000 可编程电源，最高2 千伏，30 千瓦

• – 2657A 高压源表单元（SMU），最高3 千伏

• – 2260B-800-2，可编程直流电源，最高800 伏

AFG31000 上的双脉冲应用

双脉冲测试应用让用户能够创建具有不同脉宽的脉冲，这一直是主要的用户痛点，因为创建具有不同脉宽的脉冲的 方法耗时。这些方法包括在PC 上创建波形并上传到函数发生器。其他方法是使用需要大量编程工作和时间的微控 制器。AFG31000 上的双脉冲测试应用使得用户能够直接从前端显示屏进行操作。该应用直观且快速设置。第一个 脉宽调整以获得所需的开关电流值。第二个脉冲也可以独立于第一个脉冲进行调整，通常比第一个脉冲短，以防止功 率设备被破坏。用户还可以定义每个脉冲之间的时间间隔。

图11展示了双脉冲测试应用窗口。在这里，用户可以设置：

• 脉冲数量：2 至30 脉冲

• 高低电压幅度（V）

• 触发延迟（秒）

• 触发源 - 手动、外部或定时器

• 负载 - 50Ω 或高阻（high Z）

• 脉泰克(Tektronix) 4、5 或6 系列MSO 示波器

• 泰克电流探头TCP0030A-120 MHz

• 泰克高压差分探头：TMDP0200

• 凯斯利(Kiethley) 直流电源 - 2280S（为门驱动IC 供电）

• 凯斯利2461 SMU 仪器（为电感供电）

• 电感：约1 mH

电源连接如下：

• MOSFET 焊接在电路板上。Q2 是低侧，Q1 是高侧。

• Q1 的门和源需要短接，因为Q1 不会被打开。

• Q2 的门电阻已焊接。R = 100Ω。

• AF31000 的CH1 连接到评估板上的PWM_L 和GND 输 入。

• 凯斯利电源连接到评估板上的Vcc 和GND 输入，为门驱 动IC 供电。

• 凯斯利2461 SMU 仪器连接到HV 和GND，为电感供电。

• 然后将电感连接到HV 和OUT。

双脉冲测试测量

一旦所有电源连接都已安全连接，我们可以将示波器的 探头连接到Q2（低侧MOSFET）。

• 一个被动探头连接到VGS。

• 差分电压探头连接到VDS。

• TCP0030A 电流探头通过 MOSFET源引脚上的环路。

  4/5/6 系列MSO 上的双脉冲测试软件

WBG Deskew 功能

注意图18 中的波形与图8 中显示的波形相似。再次提到，Ids 上看到的电流超调是由于高侧MOSFET/IGBT 的自由 轮二极管的反向恢复。这个尖峰是被使用设备的固有特性，并将导致损耗。

展示了在示波器上捕获的波形和开通参数的测量。 在示波器上，启动WBG-DPT 应用。选择功率设备类型 为MOSFET。配置VDS、ID和VGS 源。

转到开关定时分析组。添加Td(on)、Td(off)、Tr 和Tf 测量。

配置Td(on) 测量，点击预设。这将示波器设置为单次采集。

开启电源。

开启AFG31000 以产生输出脉冲。