功率半導(dǎo)體器件的動(dòng)態(tài)測(cè)試中，雙脈沖測(cè)試是一個(gè)典型的測(cè)試需求，本文將從雙脈沖測(cè)試原理、過程、主要測(cè)試內(nèi)容等方面為大家說清雙脈沖測(cè)試。
雙脈沖測(cè)試原理
功率半導(dǎo)體器件具有幾十種參數(shù)來表征其特性，通過參數(shù)可以幫助工程師更好地完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。功率半導(dǎo)體器件參數(shù)綜合而言可以分為三大類：
器件最值，包括器件極限工作點(diǎn)相關(guān)的參數(shù)，如擊穿電壓、熱阻抗、最大耗散功率、最大漏極電流和安全工作區(qū)等；
靜態(tài)參數(shù)，包括器件的工作點(diǎn)的電壓電流關(guān)系，如傳遞特性、閾值電壓、輸出特性、導(dǎo)通電阻、二極管導(dǎo)通特性、第三象限導(dǎo)通特性等；
動(dòng)態(tài)特性，包括器件的開關(guān)過程、反向恢復(fù)過程、柵電荷、結(jié)電容等。
三類測(cè)試中，以動(dòng)態(tài)特性測(cè)試最為復(fù)雜，而雙脈沖測(cè)試主要就是針對(duì)器件動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行的。如圖1是典型的半橋電路，是一個(gè)典型的雙脈沖測(cè)試電路，電路由被測(cè)器件QL、陪測(cè)二極管VDH、負(fù)載電感L、驅(qū)動(dòng)電壓源VBus，脈沖控制信號(hào)源VDRV組成。測(cè)試過程中通過脈沖控制源VDRV輸出脈沖，控制QL進(jìn)行開斷，得到器件在指定電壓、電流下的開關(guān)特性。
圖1 雙脈沖測(cè)試電路
雙脈沖測(cè)試信號(hào)如圖2所示，在t0時(shí)刻啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓源VBus，t0-t2時(shí)段為被測(cè)器件QL關(guān)斷信號(hào)，t2-t3為導(dǎo)通時(shí)段，t3-t4為關(guān)斷時(shí)段，t4-t5為導(dǎo)通時(shí)段。t5之后徹底關(guān)斷器件，并將驅(qū)動(dòng)電壓源VBus下電，測(cè)試結(jié)果。為了更好地理解整個(gè)測(cè)試過程，我們進(jìn)一步分解每個(gè)過程的電路變化。
圖2 雙脈沖信號(hào)
在t0-t2時(shí)刻，電路狀態(tài)如圖3所示，電路驅(qū)動(dòng)電壓源VBus啟動(dòng)，輸出器件QL所需的指定電壓Vset,此時(shí)由于器件QL還處于短路狀態(tài)，因此VDS逐漸上升至Vset,回路之中沒有電流產(chǎn)生。
圖3 t0-t2狀態(tài)電路
在t2-t3時(shí)刻，電路狀態(tài)如圖4所示，由于已經(jīng)器件QL導(dǎo)通，回路有效，回路中產(chǎn)生電流IL和IDS，由于存在電感L，電流無法突變，因此IL和IDS會(huì)逐漸升高至器件QL所需的指定電流Iset，此時(shí)VDS為零。
圖4 t2-t3狀態(tài)電路
在t3-t4時(shí)刻，電路狀態(tài)如圖5所示，此時(shí)器件QL關(guān)斷，QL回路無效，電流IDS為零，但由于電感電流無法突變，電流IL依舊存在，并通過陪測(cè)二極管VDH形成電流IF，此時(shí)VDS與Vset電壓相等。
圖5 t3-t4狀態(tài)電路
在t4-t5時(shí)刻，電路狀態(tài)如圖6所示，此時(shí)器件QL再次導(dǎo)通，由于t3-t4時(shí)段中電感回路產(chǎn)生的電流IL持續(xù)有效，因此在此時(shí)間段內(nèi)，IDS的值將會(huì)進(jìn)一步升高，超出器件QL指定電流Iset，此時(shí)VDS再次為零。
圖6 t4-t5狀態(tài)電路
我們將各參數(shù)在各時(shí)間段的變化繪制在一個(gè)坐標(biāo)圖中，如圖7所示。整個(gè)過程中器件QL經(jīng)過了兩次導(dǎo)通和關(guān)斷，形成兩個(gè)脈沖，因此得名雙脈沖測(cè)試。在雙脈沖過程中，t2時(shí)刻為導(dǎo)通時(shí)刻，t3時(shí)刻為關(guān)斷時(shí)刻，記錄這個(gè)兩個(gè)時(shí)刻過程的VGS、VDS電壓、IDS電流波形，就可以對(duì)器件開關(guān)特性進(jìn)行分析和評(píng)估了。此外t4時(shí)刻不僅是器件再次導(dǎo)通時(shí)刻，還是陪測(cè)二極管VDH反向恢復(fù)過程，此時(shí)記錄電壓、電流波形可以分析出器件反向恢復(fù)相關(guān)特性。
圖7 雙脈沖測(cè)試過程時(shí)序
雙脈沖測(cè)試的項(xiàng)目?jī)?nèi)容
雙脈沖測(cè)試主要實(shí)現(xiàn)的是功率半導(dǎo)體的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，動(dòng)態(tài)特性主要包括開關(guān)特性、反向恢復(fù)、結(jié)電容、柵電荷等幾部分，其具體包括的測(cè)試項(xiàng)目如表1所示。
表1 雙脈沖測(cè)試項(xiàng)目?jī)?nèi)容
雙脈沖測(cè)試所需硬件組成
如圖8所示是雙脈沖測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖，包括測(cè)試板、直流電源、輔助電源、信號(hào)發(fā)生器、示波器、電壓探頭、電流探頭等硬件組成。
圖8 雙脈沖測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖
測(cè)試板：包括主功率電路、驅(qū)動(dòng)電路、去耦電容、母線電容、對(duì)外接口，一般由測(cè)試人員自行設(shè)計(jì)，確保實(shí)現(xiàn)所需測(cè)試無誤，測(cè)試板需要根據(jù)被測(cè)產(chǎn)品不同而進(jìn)行調(diào)整。
直流電源：在雙脈沖測(cè)試中，為母線電容充電，起到提供母線電壓的作用，對(duì)其基本要求是其輸出電壓能夠滿足測(cè)試要求，特別需要考慮電壓等級(jí)，輸出電流能力等。
輔助電源：輔助電源一般用于為驅(qū)動(dòng)電路供電，一般以臺(tái)式直流源為主。
信號(hào)發(fā)生器：在雙脈沖測(cè)試過程中需向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生雙脈沖信號(hào)指令，可以由測(cè)試者使用MCU開發(fā)板完成，或者選擇單獨(dú)的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)品亦可。
示波器：雙脈沖測(cè)試中最重要的設(shè)備就是示波器，示波器的選擇要充分考慮被測(cè)設(shè)備的上升時(shí)間、頻率響應(yīng)時(shí)間，因此對(duì)示波器的帶寬有一定要求。隨著目前功率器件開關(guān)頻率的上升，示波器的帶寬一般要求不小于500MHz。其次為準(zhǔn)確測(cè)量雙脈沖過程中的電壓、電流數(shù)據(jù)，對(duì)示波器本身的測(cè)量精度、底噪要求會(huì)比較高，最好采用高位數(shù)ADC的示波器產(chǎn)品。
ZUS系列是致遠(yuǎn)儀器推出的采用12bit高速ADC，實(shí)現(xiàn)最高1GHz測(cè)量帶寬，并配備了電源分析、智能硬件時(shí)序分析、汽車總線分析、以太網(wǎng)眼圖、X-Key等功能的高精度示波器，非常使用用于雙脈沖測(cè)試。
圖9 ZUS系列高精度示波器
電壓探頭：由于功率器件在開關(guān)瞬間往往會(huì)有較高的電壓，因此電壓采集一般采用高壓差分探頭，在雙脈沖測(cè)試中需要選擇帶寬足夠高、共模抑制比足夠大的差分探頭，更好的選擇是使用光隔離探頭。
致遠(yuǎn)儀器推出的ZOP5035系列光隔離探頭，具有超高共模抑制比，最大差分電壓測(cè)量可達(dá)2500V，具備500MHz帶寬，非常適合用于雙脈沖測(cè)試。
圖10 ZOP5035光隔離探頭
電流探頭：雙脈沖測(cè)試中需要測(cè)試電流信號(hào)，需要匹配電流探頭，與差分探頭一樣需要考慮電流探頭的帶寬、量程范圍。
致遠(yuǎn)儀器推出的ZCP系列電流探頭，具有量程寬，帶寬高，兼容性好等特點(diǎn)。
圖11 ZCP系列電流探頭
時(shí)間偏移校準(zhǔn)夾具：因?yàn)槭静ㄆ鞑捎昧瞬罘痔筋^和電流探頭，而且雙脈沖測(cè)試中電壓、電流頻率較高，探頭在測(cè)試高頻信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的延遲。在測(cè)試中需要校準(zhǔn)探頭延時(shí)，以消除延時(shí)影響。因此需要配套時(shí)間偏移夾具進(jìn)行校準(zhǔn)。
致遠(yuǎn)儀器提供的ZDF1000校準(zhǔn)夾具支持LARGE LOOP/SMALL LOOP工作模式，可以輸出12KHz方波信號(hào)用于探頭校準(zhǔn)。
圖12 ZDF1000校準(zhǔn)夾具
隨著行業(yè)測(cè)試需求的提升，致遠(yuǎn)儀器將立足行業(yè)需求，不斷推出新的測(cè)試方案，為行業(yè)發(fā)展提供助力。
