作者丨鼎陽科技 陳嘉明
引言
近年來，隨著工業(yè)控制市場、新能源汽車市場、新能源發(fā)電領(lǐng)域的需求增長，功率器件的相關(guān)需求也在不斷增加，對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。
01 功率器件
功率器件目前主要包括以下幾種：
二極管：
利用其單向?qū)ㄐ?，用于電路的整流與穩(wěn)壓等方面。
晶體管：
典型的晶體管有雙極性晶體管(BJT)和場效應(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，用于功率放大和開關(guān)電路。
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。
MOSFET：
單極型器件，具有開關(guān)速度快、驅(qū)動功率低、輸入阻抗高的特點，適合高頻應(yīng)用，常用于高頻開關(guān)電源、DC-DC轉(zhuǎn)換器、電機驅(qū)動等對開關(guān)速度要求較高的場合。
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)點同時有著較強的耐壓能力，適用于高壓應(yīng)用，同時在電力電子領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。
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、高開關(guān)頻率、耐高溫的特點，廣泛用于新能源汽車、充電樁、太陽能逆變器、工業(yè)電源等領(lǐng)域。其中在高壓快充的趨勢下電動車是新型功率器件最重要的應(yīng)用場景，800V SiC平臺的應(yīng)用也在帶動SiC功率器件的發(fā)展。
02 難點與挑戰(zhàn)
如今，MOSFET和IGBT在各個領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用，如何有效地進行MOSFET和IGBT相關(guān)參數(shù)的測試是困擾許多工程師的難題。
IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷設(shè)計的過程較多，對其開關(guān)特性的準確測量和分析帶來了一定的難度。同時IGBT的安全工作區(qū)(SOA)的確定需要考慮多個因素，如電壓、電流、時間等。
在測量中，同樣容易受到寄生參數(shù)的影響，器件封裝和測試電路中存在的寄生電感、電容等參數(shù)在高頻和高速開關(guān)測試中會對結(jié)果造成顯著影響導(dǎo)致信號失真與測量誤差。同時，MOSFET和IGBT的開關(guān)速度快，對其進行動態(tài)特性測試時需要高精度的測試設(shè)備和快速的響應(yīng)時間，選擇合適的測量儀器進行測試顯得格外重要。
在這些功率器件的測試中，需要多種測量儀器與設(shè)備協(xié)同工作，以更好地表征器件的參數(shù)，功率器件中常見的測試項目包括以下幾個方面：
1. 靜態(tài)參數(shù)測試：
導(dǎo)通電阻(Rds(on))：對于MOSFET等器件，測量在導(dǎo)通狀態(tài)下漏極與源極之間的電阻。
閾值電壓(Vth)：器件開始導(dǎo)通時的柵極電壓。
擊穿電壓(BV)：測量器件能夠承受的最大電壓，如漏極擊穿電壓(BVDSS)、柵極擊穿電壓(BVGSS)。
漏電流(Idss、Igss)：特定條件下測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. 動態(tài)參數(shù)測試：
開關(guān)時間(ton、toff)：測量器件從導(dǎo)通到截止或從截止到導(dǎo)通的時間。
開關(guān)延遲時間(td(on)、td(off))：功率器件開關(guān)過程中，從控制信號開始施加/下降到器件開始導(dǎo)通/關(guān)斷之間的時間間隔。
損耗(Eon、Eoff)：測量開關(guān)過程中的電壓和電流以計算器件在開通和關(guān)斷時的能量損耗。
電流上升下降時間(tr、tf)：待測電流從10%上升到90%額定值所用時間。
反向恢復(fù)時間(trr)：測量從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂箷r，電流恢復(fù)到零的時間。
3. 安全工作區(qū)(SOA)測試：
確定器件的安全工作區(qū)，測試功率器件在何種電壓和電流組合下能夠正常工作，確保在實際應(yīng)用中，器件的工作電壓和電流不會超出安全范圍，出現(xiàn)過熱、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試項目，在實際測試測量中要根據(jù)器件本身的特性，準備測試設(shè)備并搭建測試電路，對器件的各個參數(shù)進行測試。
03 解決方案-雙脈沖測試
雙脈沖測試是進行MOSFET和IGBT動態(tài)參數(shù)測量的常用方法，利用該測試可以更好地評估功率器件的特性，對功率器件開關(guān)損耗、電壓電流尖峰值、寄生參數(shù)等特性進行評估，以了解產(chǎn)品的長期可靠性，方便后續(xù)產(chǎn)品的優(yōu)化。
在測試中，需要兩個脈寬不同的電壓脈沖。第一個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到相對穩(wěn)定的工作溫度，減少溫度變化對測試結(jié)果的影響，同時為電路中的電感建立一定的電流，為第二個脈沖的測試創(chuàng)造條件。
第二個脈沖用于測試功率器件的動態(tài)特性，此時利用示波器和差分探頭測試器件開關(guān)時的電壓和電流參數(shù)，在第一個脈沖的下降沿觀測功率器件的關(guān)斷過程，第二個脈沖的上升沿觀測開通的過程，簡化的雙脈沖測試電路如圖1所示。
圖1 雙脈沖測試電路簡化示例
雙脈沖測試通常以半橋形式進行測試，如要減少測試過程中可能產(chǎn)生的電場干擾等因素的影響，可以采用全橋結(jié)構(gòu)進行測試。
半橋中上管保持常閉狀態(tài)且并聯(lián)一個電感，在下管門極中發(fā)送雙脈沖，檢測下管兩端的電壓Vce和集電極電流Ic，在雙脈沖驅(qū)動的短暫開通關(guān)斷過程中進行功率器件各參數(shù)的測試，雙脈沖測試中的基本波形如圖2所示。
圖2 雙脈沖測試基本波形示例
圖2的藍色波形為門極發(fā)送的雙脈沖波形，綠色波形為下管兩端的電壓Vce，黑色的波形是測試到的下管集電極電流Ic。
在t0時刻門極第一個脈沖到達，此時下管的IGBT進入飽和導(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，第一個脈沖持續(xù)時間越長，開啟時間越長，產(chǎn)生的電流也越大。
進入t1時刻后，第一個脈沖結(jié)束，下管關(guān)斷，此時電感中的電流由上管中的二極管進行續(xù)流，該電流緩慢進行衰減，此時的電流探頭若放置在下管發(fā)射極處，將不會觀測到二極管續(xù)流時的電感電流。
在t2時刻，第二個脈沖到達，下管再次被導(dǎo)通，續(xù)流二極管進入反向恢復(fù)，反向恢復(fù)電流同樣流過下管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時刻，第二個脈沖結(jié)束，下管關(guān)斷，此時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試中完整的測試過程，其中可以測得IGBT的反向恢復(fù)時間、上升時間、下降時間等參數(shù)，部分可測得參數(shù)圖3所示，其中的開關(guān)損耗參數(shù)借助示波器的函數(shù)運算功能可以計算得到，對電壓和電流信號的乘積進行規(guī)定時間內(nèi)的積分可得到損耗值。
開通損耗的積分區(qū)間為門極電壓上升的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)間為門極電壓下降至90%時到電流降至2%的區(qū)間內(nèi)。
圖3 雙脈沖測試中部分可測參數(shù)
這個特殊的脈沖序列可以在數(shù)學工具軟件中編輯生成，并調(diào)整其中脈沖的參數(shù)，最后將文件導(dǎo)入任意波形發(fā)生器中進行輸出。
該方法較為繁瑣且不便于參數(shù)調(diào)整，所以鼎陽科技在SDG1000X Plus等系列均內(nèi)置了雙脈沖波形設(shè)置選項，在信號源界面直觀地顯示輸出雙脈沖波形的特性，并且能夠更加簡便進行脈沖寬度等參數(shù)的設(shè)置，界面操作簡便，引導(dǎo)清晰，讓工程師能夠更專注于功率器件測試和問題的調(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，并且可以針對每個脈沖設(shè)置相關(guān)的上升下降沿時間和正負脈寬的寬度，界面簡潔，操作邏輯清晰。
在示波器上鼎陽科技同樣提供用于雙脈沖測試的測試軟件，通過DPT軟件可以減少手動測試的操作，有效縮短測試時間，軟件提供JEDEC/IEC標準的測試結(jié)果范圍，同時也支持用戶自定義參數(shù)進行測試，在測試結(jié)束后能直觀顯示測試結(jié)果并將結(jié)果進行導(dǎo)出。
圖5 DPT軟件實際測試波形示例
圖6 測試結(jié)果展示界面
04 解決方案-電源分析
鼎陽科技示波器中的電源分析功能選件可以幫助用戶快速分析開關(guān)電源的效率和可靠性等，支持的測量和分析范圍種類多，其中開關(guān)損耗、轉(zhuǎn)換速率、調(diào)制分析、安全工作區(qū)可對應(yīng)功率器件MOSFET相關(guān)參數(shù)的測試。
其中每一項測試在示波器中均有詳細的連接指南和連接提示圖，以開關(guān)損耗為例，相關(guān)的連接說明如圖7所示，在說明中提示了探測點的選取，探測設(shè)備的選擇以及正確的探測方向和配置方法。
圖7 連接指南示意圖
在測量過程中，相對較小的時滯都可能引起較大的開關(guān)損耗測量錯誤，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。通過時滯校準可以糾正示波器或探頭時延，在測試前應(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，也需要重新運行時滯校準。
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)自動生成，并判斷MOSFET上的應(yīng)力是否超出SOA，有助于設(shè)計者快速發(fā)現(xiàn)電路中的問題或潛在風險。
圖8、圖9是測試MOSFET上電應(yīng)力并使用SOA進行上電應(yīng)力是否安全的操作示例。
圖8 上電時MOSFET上的電壓和電流波形
圖9 SOA測試MOSFET時的測試面板
總結(jié)
鼎陽科技提供用于功率器件測試的相關(guān)方案，其中雙脈沖測試是測量功率器件的動態(tài)參數(shù)的主要方法，能夠準確表征器件的相關(guān)特性。
構(gòu)建用于測試的雙脈沖以及針對相關(guān)參數(shù)進行測試一直都是困擾許多工程師的難點，鼎陽科技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編輯。
同時，在示波器中提供DPT雙脈沖測試應(yīng)用，能夠?qū)﹄p脈沖測試中的參數(shù)進行便捷測試，減少測試時間并提供直觀的測試結(jié)果報告。
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)的測量，方便用戶開展功率器件測試。
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