功率半导体双脉冲测试分析

设计功率转换器时，理想状态下的功率损失为0%，如图2 所示。

然而，开关损耗是不可避免的。因此，目标是通过设计优化来*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。[2]

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。

**的测试方法来测量MOSFET 或IGBT 的切换参数是“双脉冲测试”方法。本应用说明将描述双脉冲测试及其实施方式。具体来说，本应用说明将解释如何使用 Tektronix AFG31000 任意函数发生器生成脉冲，并使用4、5 或6 系列MSO 示波器测量重要参数。

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。

图5 展示了一个典型的双脉冲测试电路。

图5：双脉冲测试电路。

该测试使用感应负载和电源进行。电感用于复制转换器设计中的电路条件。电源用于向电感提供电压。 AFG31000 用于输出脉冲，这些脉冲触发MOSFET 的门极，从而使其开启并开始导电。

图6 展示了使用MOSFET 进行双脉冲测试时不同阶段的电流流向。使用IGBT 作为待测设备时的电流流向如图7 所示。

图8 展示了在低侧MOSFET 或IGBT 上取得的典型测量数据。以下是双脉冲测试的不同阶段（这些阶段对应图6、图7 和图8）

**步，由**次开**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）。
**步（2）是关闭**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**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**次开**冲代表。脉冲宽度比**次脉冲短，以防设备过热。**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**次脉冲的关断和**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：
- – 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**的TIVP 隔离探头。
- – Ch3：ID - TCP 系列电流探头
高侧探测：
- – Ch4：IRR - TCP 系列电流探头
- – Ch5：VDS - THDP/TMDP 系列电压探头
直流电源
高压电源：
- – EA-PSI 10000 可编程电源，*高2 千伏，30 千瓦
- – 2657A 高压源表单元（SMU），*高3 千伏
- – 2260B-800-2，可编程直流电源，*高800 伏
门驱动电路电源：
- – 2230 系列或2280S 系列直流电源

AFG31000 上的双脉冲应用

AFG31000 的双脉冲测试应用可以直接从tek.com 网站下载，并安装到AFG31000 上。图10 展示了双脉冲测试应用在AFG31000 主屏幕上的图标，该应用被下载并安装到设备上后即可见。

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。**个脉宽调整以获得所需的开关电流值。**个脉冲也可以独立于**个脉冲进行调整，通常比**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：