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2023-02-08 16:10:09
世界即時：功率器件動態參數測試系統選型避坑指南
2023-02-08 16:10:09 來源: 電子創新網
“?動態特性是功率器件的重要特性，在器件研發、系統應用和學術研究等各個環節都扮演著非常重要的角色。故對功率器件動態參數進行測試是相關工作的必備一環，主要采用雙脈沖測試進行。”
(資料圖片)
按照被測器件的封裝類型，功率器件動態參數測試系統分為針對分立器件和功率模塊兩大類。長期以來，針對功率模塊的測試系統占據絕大部分市場份額，針對分立器件的測試系統需求較少，選擇也很局限。隨著我國功率器件國產化進程加快，功率器件廠商和系統應用企業也越來越重視功率器件動態參數測試，特別是針對分立器件的測試系統提出了越來越多的需求。
縱觀現階段市場上能夠提供的功率器件動態參數測試系統，其技術和服務層次不齊。非常容易出現實際測試效果無法達到規格書的情況，甚至有的測試系統連基礎的測試功能都不具備，使得用戶花了冤枉錢，也浪費了大量的時間和精力。
為了避免上述問題再發生在廣大工程師身上，本篇文章將帶領大家一起看看如何在進行功率器件動態參數測試系統選型時避坑。
01：滿足的測試電壓、電流范圍
我們在選擇測試系統時，首先面臨的問題是測試系統能夠測試器件的電壓和電流范圍。測試系統的規格書上一般會標注“最大xxxV / xxxA”，但這樣的標注方式是遠遠不夠的，會出現在低于最大電壓時達不到最大電流的情況。
設測試中負載電感為L，母線電容為C，測試電壓為V，測試電流為I，則雙脈沖第1脈寬τ、第1脈寬結束時母線電壓跌落比例為小于Kv時需滿足：
可見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。在實際測試中，τ的時間不宜過長，負責會使得器件發熱嚴重影響測試結果。同時，C需要大于一定數值確保其在第1脈寬結束時母線電壓跌落比例為小于Kv，這樣才能夠保證在第2脈沖時母線電壓跌落在可接受范圍內，負責雙脈沖測試的開通和關斷的電壓不一致。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，同時對τ又有要求上限要求，這些參數一同決定了能夠實現的測試電流。
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能夠實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時可達36A、選擇50uH時可達51A、選擇10uH時可達100A以上；在800V測試條件下，負載電感選擇100uH時可達72A、選擇50uH時可達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時僅4A、選擇50uH時僅8A、選擇10uH時可達40A；在150V測試條件下，負載電感選擇100uH時可達30A、選擇50uH時可達60A、選擇10uH可達300A。
高壓器件為了滿足高壓的測試需求，須選擇耐壓值高的母線電容，但此類電容容值較小，如用該電容來測試低壓器件，能夠實現的最大電流將大打折扣。對于功率器件來說，耐壓和導通電阻是一對矛盾的關系，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電容。此外，由上圖可知，在測試電壓相同，負載電感越小可實現的最大電流值越大，為了滿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，測試系統能夠實現的最大測試電流由C、L、V、τmax共同決定。大家在進行測試系統選擇時，就可以通過上述方法進行計算，考察其是否能夠滿足測試需求。
02：支持的器件封裝類型
長期以來，針對分立器件的測試系統選擇很少，其中一個原因是分立器件的封裝種類很多導致開發成本和硬件成本高，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，無法對其他封裝形式的器件進行測試，極大地限制了測試系統的應用場景。
針對這一問題，泰克科技推出的功率器件動態參數測試系統DPT1000A采用轉接板的方式滿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
合適的測量儀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儀器選擇上存在很大的問題，例如：
使用基礎示波器測量高速MOSFET、高速IGBT、SiC MOSFET，由于帶寬和采樣率嚴重不足導致測試結果與實際值偏差較大
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波形，導致波形噪聲大、震蕩嚴重
使用羅氏線圈測量SiC MOSFET的端電流，由于帶寬嚴重不足導致測試結果與實際值偏差較大
泰克針對被測信號的特征在功率器件動態參數測試系統DPT1000A選擇使用了合適的測量儀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、記錄長度高達500M并具備12位ADC，可滿足高速開關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電壓，并降低了接地線的影響。
端電壓測量選用高壓差分探頭，在滿足寬電壓測量范圍的同時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，有時會需要對上橋臂器件進行測量。很多測試系統使用高壓差分探頭測試上橋臂器件驅動信號，測得的波形往往存在很嚴重的震蕩，當測試高速MOSFET、高速IGBT、SiC MOSFET時情況更加嚴重。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，此時測試系統實際上是不具備對上橋臂器件的測試能力的。
動態參數測試系統DPT1000A中，選用了泰克的IsoVu光隔離探頭進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，同時具有優異的共模抑制比，在1GHz下仍可達-90dB。如此優異的特性確保了對上橋臂器件的測試能力。
05：主電路、驅動電路回路電感
在測試電路中有兩個關鍵回路，即主電路回路和驅動電路回路，它們對器件動態特性的影響極大，也是評判測試電路性能好壞的關鍵指標。傳統的功率器件的開關速度較慢，對上述兩個回路的寄生電感要求不高。但隨著高速MOSFET、高速IGBT、SiC MOSFET的出現，原先功率器件動態參數測試系統回路電感大的問題就暴露出來了。
具體來講，當主電路回路電感太大，會導致器件的關斷電壓降分過高，當其超過器件耐壓值時，就有可能導致器件過壓損壞。當驅動電路回路電感過大時，會導導致驅動波形出現嚴重震蕩，同時驅動回路還容易受到器件在開關過程中產生的高di/dt的干擾，進一步加劇震蕩，可能導致器件柵極過壓擊穿、器件誤導通導致橋臂直通。
動態參數測試系統DPT1000A針對這一問題進行了測試電路參數優化，使其能夠測量包括SiC MOSFET的高速器件。驅動電路貼近被測器件并采用PCB布線鏈接，盡可能減小了驅動電路回路電感。同時，在母線電容選取、PCB布線、電流采樣方式上進行了優化，進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，致力提供創新、精確、操作簡便的測試、測量和監測解決方案，解決各種問題，釋放洞察力，推動創新能力。70多年來，泰克一直走在數字時代前沿。歡迎加入我們的創新之旅，敬請登錄：tek.com.cn
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