近年來(lái)，隨著工業(yè)控制市場(chǎng)、新能源汽車(chē)市場(chǎng)、新能源發(fā)電領(lǐng)域的需求增長(zhǎng)，功率器件的相關(guān)需求也在不斷增加，對(duì)功率器件的性能要求也在逐漸提高。功率器件是半導(dǎo)體器件的重要分支，主要用于處理高電壓和電流的電能轉(zhuǎn)換和控制，能承受較大的功率。
一、功率器件
功率器件目前主要包括以下幾種：
1、二極管：
利用其單向?qū)ㄐ?，用于電路的整流與穩(wěn)壓等方面。
2、晶體管：
典型的晶體管有雙極性晶體管(BJT)和場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)等，廣泛用于放大器、音頻放大器、電源調(diào)節(jié)器等器件中，用于功率放大和開(kāi)關(guān)電路。
3、晶閘管：
有普通晶閘管(SCR)、雙向晶閘管(TRIAC)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)等，用于交流調(diào)壓和可控整流中。
4、MOSFET：
單極型器件，具有開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)功率低、輸入阻抗高的特點(diǎn)，適合高頻應(yīng)用，常用于高頻開(kāi)關(guān)電源、DC-DC轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等對(duì)開(kāi)關(guān)速度要求較高的場(chǎng)合。
5、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)：
由MOSFET和雙極型晶體管(BJT)組合而成的復(fù)合器件，具有MOSFET的高輸入阻抗和BJT低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)有著較強(qiáng)的耐壓能力，適用于高壓應(yīng)用，同時(shí)在電力電子領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。
6、新型碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)功率器件：
新型寬禁帶半導(dǎo)體材料制成的功率器件，有著高耐壓、低導(dǎo)通電阻、高開(kāi)關(guān)頻率、耐高溫的特點(diǎn)，廣泛用于新能源汽車(chē)、充電樁、太陽(yáng)能逆變器、工業(yè)電源等領(lǐng)域。其中在高壓快充的趨勢(shì)下電動(dòng)車(chē)是新型功率器件極其重要的應(yīng)用場(chǎng)景，800V SiC平臺(tái)的應(yīng)用也在帶動(dòng)SiC功率器件的發(fā)展。
二、難點(diǎn)與挑戰(zhàn)
如今，MOSFET和IGBT在各個(gè)領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如何有效地進(jìn)行MOSFET和IGBT相關(guān)參數(shù)的測(cè)試是困擾許多工程師的難題。
IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷設(shè)計(jì)的過(guò)程較多，對(duì)其開(kāi)關(guān)特性的準(zhǔn)確測(cè)量和分析帶來(lái)了一定的難度。同時(shí)IGBT的安全工作區(qū)(SOA)的確定需要考慮多個(gè)因素，如電壓、電流、時(shí)間等。
在測(cè)量中，同樣容易受到寄生參數(shù)的影響，器件封裝和測(cè)試電路中存在的寄生電感、電容等參數(shù)在高頻和高速開(kāi)關(guān)測(cè)試中會(huì)對(duì)結(jié)果造成顯著影響導(dǎo)致信號(hào)失真與測(cè)量誤差。同時(shí)，MOSFET和IGBT的開(kāi)關(guān)速度快，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試時(shí)需要高精度的測(cè)試設(shè)備和快速的響應(yīng)時(shí)間，選擇合適的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)試顯得格外重要。
在這些功率器件的測(cè)試中，需要多種測(cè)量?jī)x器與設(shè)備協(xié)同工作，以更好地表征器件的參數(shù)，功率器件中常見(jiàn)的測(cè)試項(xiàng)目包括以下幾個(gè)方面：
1、靜態(tài)參數(shù)測(cè)試：
（1）導(dǎo)通電阻(Rds(on))：對(duì)于MOSFET等器件，測(cè)量在導(dǎo)通狀態(tài)下漏極與源極之間的電阻。
（2）閾值電壓(Vth)：器件開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓。
（3）擊穿電壓(BV)：測(cè)量器件能夠承受的MAX電壓，如漏極擊穿電壓(BVDSS)、柵極擊穿電壓(BVGSS)。
（4）漏電流(Idss、Igss)：特定條件下測(cè)量的漏極與源極之間的漏電流或柵極與源極之間的漏電流。
2、動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試：
（1）開(kāi)關(guān)時(shí)間(ton、toff)：測(cè)量器件從導(dǎo)通到截止或從截止到導(dǎo)通的時(shí)間。
（2）開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間(td(on)、td(off))：功率器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中，從控制信號(hào)開(kāi)始施加/下降到器件開(kāi)始導(dǎo)通/關(guān)斷之間的時(shí)間間隔。
（3）損耗(Eon、Eoff)：測(cè)量開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流以計(jì)算器件在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)的能量損耗。
（4）電流上升下降時(shí)間(tr、tf)：待測(cè)電流從10%上升到90%額定值所用時(shí)間。
（5）反向恢復(fù)時(shí)間(trr)：測(cè)量從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂箷r(shí)，電流恢復(fù)到零的時(shí)間。
3、安全工作區(qū)(SOA)測(cè)試：
確定器件的安全工作區(qū)，測(cè)試功率器件在何種電壓和電流組合下能夠正常工作，確保在實(shí)際應(yīng)用中，器件的工作電壓和電流不會(huì)超出安全范圍，出現(xiàn)過(guò)熱、擊穿或其他損壞現(xiàn)象。
以上只是功率器件中部分共同的測(cè)試項(xiàng)目，在實(shí)際測(cè)試測(cè)量中要根據(jù)器件本身的特性，準(zhǔn)備測(cè)試設(shè)備并搭建測(cè)試電路，對(duì)器件的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。
三、解決方案-雙脈沖測(cè)試
雙脈沖測(cè)試是進(jìn)行MOSFET和IGBT動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量的常用方法，利用該測(cè)試可以更好地評(píng)估功率器件的特性，對(duì)功率器件開(kāi)關(guān)損耗、電壓電流尖峰值、寄生參數(shù)等特性進(jìn)行評(píng)估，以了解產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性，方便后續(xù)產(chǎn)品的優(yōu)化。
在測(cè)試中，需要兩個(gè)脈寬不同的電壓脈沖。首先一個(gè)脈沖用于建立初始狀態(tài)，預(yù)熱電路使電路中的其他元件達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的工作溫度，減少溫度變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，同時(shí)為電路中的電感建立一定的電流，為第二個(gè)脈沖的測(cè)試創(chuàng)造條件。
在測(cè)試中，需要兩個(gè)脈寬不同的電壓脈沖。首先一個(gè)脈沖用于建立初始狀態(tài)，預(yù)熱電路使電路中的其他元件達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的工作溫度，減少溫度變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，同時(shí)為電路中的電感建立一定的電流，為第二個(gè)脈沖的測(cè)試創(chuàng)造條件。
第二個(gè)脈沖用于測(cè)試功率器件的動(dòng)態(tài)特性，此時(shí)利用示波器和差分探頭測(cè)試器件開(kāi)關(guān)時(shí)的電壓和電流參數(shù)，在首先一個(gè)脈沖的下降沿觀測(cè)功率器件的關(guān)斷過(guò)程，第二個(gè)脈沖的上升沿觀測(cè)開(kāi)通的過(guò)程，簡(jiǎn)化的雙脈沖測(cè)試電路如圖1所示。
圖1 雙脈沖測(cè)試電路簡(jiǎn)化示例
雙脈沖測(cè)試通常以半橋形式進(jìn)行測(cè)試，如要減少測(cè)試過(guò)程中可能產(chǎn)生的電場(chǎng)干擾等因素的影響，可以采用全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。
半橋中上管保持常閉狀態(tài)且并聯(lián)一個(gè)電感，在下管門(mén)極中發(fā)送雙脈沖，檢測(cè)下管兩端的電壓Vce和集電極電流Ic，在雙脈沖驅(qū)動(dòng)的短暫開(kāi)通關(guān)斷過(guò)程中進(jìn)行功率器件各參數(shù)的測(cè)試，雙脈沖測(cè)試中的基本波形如圖2所示。
圖2 雙脈沖測(cè)試基本波形示例
圖2的藍(lán)色波形為門(mén)極發(fā)送的雙脈沖波形，綠色波形為下管兩端的電壓Vce，黑色的波形是測(cè)試到的下管集電極電流Ic。
在t0時(shí)刻門(mén)極首先一個(gè)脈沖到達(dá)，此時(shí)下管的IGBT進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，電壓加在電感上，電感產(chǎn)生的電流線性上升，電流的數(shù)值由電壓和電感共同決定，在兩者都確定的情況下，首先一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，開(kāi)啟時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的電流也越大。
進(jìn)入t1時(shí)刻后，首先一個(gè)脈沖結(jié)束，下管關(guān)斷，此時(shí)電感中的電流由上管中的二極管進(jìn)行續(xù)流，該電流緩慢進(jìn)行衰減，此時(shí)的電流探頭若放置在下管發(fā)射極處，將不會(huì)觀測(cè)到二極管續(xù)流時(shí)的電感電流。
在t2時(shí)刻，第二個(gè)脈沖到達(dá)，下管再次被導(dǎo)通，續(xù)流二極管進(jìn)入反向恢復(fù)，反向恢復(fù)電流同樣流過(guò)下管IGBT中，在下管集電極處的電流探頭能夠捕捉到這一瞬的電流尖峰。
在t3時(shí)刻，第二個(gè)脈沖結(jié)束，下管關(guān)斷，此時(shí)電流較大且由于雜散電感的存在，電壓出現(xiàn)尖峰。
以上步驟即是雙脈沖測(cè)試中完整的測(cè)試過(guò)程，其中可以測(cè)得IGBT的反向恢復(fù)時(shí)間、上升時(shí)間、下降時(shí)間等參數(shù)，部分可測(cè)得參數(shù)圖3所示，其中的開(kāi)關(guān)損耗參數(shù)借助示波器的函數(shù)運(yùn)算功能可以計(jì)算得到，對(duì)電壓和電流信號(hào)的乘積進(jìn)行規(guī)定時(shí)間內(nèi)的積分可得到損耗值。
開(kāi)通損耗的積分區(qū)間為門(mén)極電壓上升的10%到Vce電壓下降至2%的區(qū)間內(nèi)，關(guān)斷損耗的積分區(qū)間為門(mén)極電壓下降至90%時(shí)到電流降至2%的區(qū)間內(nèi)。
圖3 雙脈沖測(cè)試中部分可測(cè)參數(shù)
這個(gè)特殊的脈沖序列可以在數(shù)學(xué)工具軟件中編輯生成，并調(diào)整其中脈沖的參數(shù)，并將文件導(dǎo)入任意波形發(fā)生器中進(jìn)行輸出。
該方法較為繁瑣且不便于參數(shù)調(diào)整，所以鼎陽(yáng)科技在SDG1000X Plus等系列均內(nèi)置了雙脈沖波形設(shè)置選項(xiàng)，在信號(hào)源界面直觀地顯示輸出雙脈沖波形的特性，并且能夠更加簡(jiǎn)便進(jìn)行脈沖寬度等參數(shù)的設(shè)置，界面操作簡(jiǎn)便，引導(dǎo)清晰，讓工程師能夠更專注于功率器件測(cè)試和問(wèn)題的調(diào)試和解決上。
相關(guān)的多脈沖設(shè)置界面如圖4所示：
圖4 信號(hào)源的多脈沖輸出設(shè)置界面
不僅如此，工程師在多脈沖界面中可以選擇脈沖的數(shù)量和幅度，并且可以針對(duì)每個(gè)脈沖設(shè)置相關(guān)的上升下降沿時(shí)間和正負(fù)脈寬的寬度，界面簡(jiǎn)潔，操作邏輯清晰。
在示波器上鼎陽(yáng)科技同樣提供用于雙脈沖測(cè)試的測(cè)試軟件，通過(guò)DPT軟件可以減少手動(dòng)測(cè)試的操作，有效縮短測(cè)試時(shí)間，軟件提供JEDEC/IEC標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試結(jié)果范圍，同時(shí)也支持用戶自定義參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試結(jié)束后能直觀顯示測(cè)試結(jié)果并將結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)出。
圖5 DPT軟件實(shí)際測(cè)試波形示例
圖6 測(cè)試結(jié)果展示界面
四、解決方案-電源分析
示波器中的電源分析功能選件可以幫助用戶快速分析開(kāi)關(guān)電源的效率和可靠性等，支持的測(cè)量和分析范圍種類多，其中開(kāi)關(guān)損耗、轉(zhuǎn)換速率、調(diào)制分析、安全工作區(qū)可對(duì)應(yīng)功率器件MOSFET相關(guān)參數(shù)的測(cè)試。
其中每一項(xiàng)測(cè)試在示波器中均有詳細(xì)的連接指南和連接提示圖，以開(kāi)關(guān)損耗為例，相關(guān)的連接說(shuō)明如圖7所示，在說(shuō)明中提示了探測(cè)點(diǎn)的選取，探測(cè)設(shè)備的選擇以及正確的探測(cè)方向和配置方法。
圖7 連接指南示意圖
在測(cè)量過(guò)程中，相對(duì)較小的時(shí)滯都可能引起較大的開(kāi)關(guān)損耗測(cè)量錯(cuò)誤，特別是在電壓幾近于零的導(dǎo)通相位期間，和電流幾近于零的非導(dǎo)通相位期間。通過(guò)時(shí)滯校準(zhǔn)可以糾正示波器或探頭時(shí)延，在測(cè)試前應(yīng)該執(zhí)行一次；并且在硬件設(shè)置的任何部分發(fā)生變化時(shí)，也需要重新運(yùn)行時(shí)滯校準(zhǔn)。
電源分析功能中的安全工作區(qū)（SOA）可以根據(jù)配置菜單中設(shè)置的電壓限制、電流限制和功率限制參數(shù)自動(dòng)生成，并判斷MOSFET上的應(yīng)力是否超出SOA，有助于設(shè)計(jì)者快速發(fā)現(xiàn)電路中的問(wèn)題或潛在風(fēng)險(xiǎn)。
圖8、圖9是測(cè)試MOSFET上電應(yīng)力并使用SOA進(jìn)行上電應(yīng)力是否安全的操作示例。
圖8 上電時(shí)MOSFET上的電壓和電流波形
圖9 SOA測(cè)試MOSFET時(shí)的測(cè)試面板
這次提供用于功率器件測(cè)試的相關(guān)方案，其中雙脈沖測(cè)試是測(cè)量功率器件的動(dòng)態(tài)參數(shù)的主要方法，能夠準(zhǔn)確表征器件的相關(guān)特性。
構(gòu)建用于測(cè)試的雙脈沖以及針對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試一直都是困擾許多工程師的難點(diǎn)，鼎陽(yáng)科技SDG1000X Plus任意波形發(fā)生器提供了在波形界面直接選擇的多脈沖構(gòu)建方法，為用戶提供快速便捷的脈沖信號(hào)編輯。
同時(shí)，在示波器中提供DPT雙脈沖測(cè)試應(yīng)用，能夠?qū)﹄p脈沖測(cè)試中的參數(shù)進(jìn)行便捷測(cè)試，減少測(cè)試時(shí)間并提供直觀的測(cè)試結(jié)果報(bào)告。
示波器中的電源分析選件也提供MOSFET相關(guān)參數(shù)及安全工作區(qū)的測(cè)量，方便用戶開(kāi)展功率器件測(cè)試。
