进行双脉冲测试的主要目的是获得功率半导体的开关特性,可以说它伴随着功率器件从研发制造到应用的整个生命周期。基于双脉冲测试获得的器件开关波形可以做很多事情,包括:通过对开关过程的分析验证器件设计方案并提出改进方向、提取开关特征参数制作器件规格书、计算开关损耗和反向恢复损耗为电源热设计提供数据支撑、不同厂商器件开关特性的对比等。

进行双脉冲测试的主要目的是获得功率半导体的开关特性,可以说它伴随着功率器件从研发制造到应用的整个生命周期。基于双脉冲测试获得的器件开关波形可以做很多事情,包括:通过对开关过程的分析验证器件设计方案并提出改进方向、提取开关特征参数制作器件规格书、计算开关损耗和反向恢复损耗为电源热设计提供数据支撑、不同厂商器件开关特性的对比等。

测量延时的影响

被测信号在测量过程中会经历两次延时,不同信号所经历延时的差别会对测量结果造成一定的影响。一次延时是示波器模拟前端的延时,索性示波器不同通道间延时差别在 ps 级别,对于 ns 级别的 ns、us 级别的功率器件开关过程可以忽略不计。另一次是探头的延时,不同的探头直接的延时差别在 ns 级别,此时对于开关速度较快的器件就有明显的影响了,特别是对于近几年开始逐渐推广使用的 SiC 和 GaN 器件影响就更大了。

我们以 SiC MOSFET 开关过程测量为例来说明测量延时的影响。

在下图中,蓝色波形为未对探头进行延时校准前获得的波形(校准前波形),红色波形为对探头进行延时校准后获得的波形(校准后波形)。

按照理论,在开通过程中,当 IDS 开始上升时,会在回路寄生电感上产生压降,这会使 VDS 有所下降,IDS 的上升与 VDS 的下降应该几乎在同一时刻开始的。而在校准前波形中,IDS 开始上升时,VDS 保持不变,在一段 5.5ns 延时后才开始下降。这一情况与理论明显不符合,可以推断此时 IDS 信号超前 VDS 信号。而在进行校准后,这一问题得到了解决。

按照理论,在关断过程中,VDS 的尖峰应该在IDS 过零附近。而在校准前波形中,IDS 过零5.5ns 后,VDS 才达到最高值。在进行校准后,这一问题也得到了解决。

同时我们还整理出开关特性参数,包括:开通延时 td(on)、开通时间 tr、开通能量 Eon、关断延时 td(off)、关断时间 tf、关断能量 Eoff。可以看到开通延时 td(on) 和关断延迟 td(off) 校准前后有 2ns 左右差异,开通时间 tr 和关断时间 tf 校准前后几乎不变,开通能量 Eon 校准前395.31uJ 比校准后 147.53uJ 大了 1.67 倍,关断能量 Eoff 校准前 20.28uJ 比校准后 70.54uJ小了 71.3%。

由此可见延时对于器件开关特性的分析和参数计算有着非常明显的影响,在进行测量之前,我们可以通过以下四种方法来进行延时校准。

方法 : 同时测量示波器自带方波信号

校准不同电压探头之间的延时差别非常简单, 只需要同时测量同一电压信号,然后再根据测量结果进行校准即可。 

我们可以利用示波器自带的方波信号,一般在示波器侧面板或前面板。可以看到,两个探头虽然都在测量示波器自带方波,但在示波器屏幕上显示的波形出现的延时,1 通道测量通路超前 2 通道测量通路 5.6ns。那么我们就可以在示波 器的通道设置菜单中设置 1 通道延时为 -5.6ns, 或设置 2 通道延时为 +5.6ns 完成校准。

方法二 : 示波器自带功能校正

对于固定型号的电压或者电流探头,其延时是基本固定的,只要知道探头型号就能够直接进行延时校准。现在示波器的功能越来越强大,通过探头的接口可以识别出探头的型号,这样示波器就可以直接自动设备延时校准值。

方法三 : 延时校准夹具 

仿照方法一中同时测量同一信号来校准不同电压探头延时差别的思路,测量同时变化的电压和电流信号,就能够校准电压探头和电流探头之间的延时差别。很多示波器厂商基于此思路已经推出了电压、电流探头延时校准夹具,方便工程师直接使用,而不用再自己做校准源。例如泰克的相差校正脉冲发生器信号源 TEK-DPG 和功率测量偏移校正夹具 067-1686-03。

方法四 : 利用器件开关特征 

如果受限于手头设备,我们还可以通过上边提到的器件开关过程的特征来进行校准。按照理论,在开通过程中 IDS 的上升与 VDS 的下降应 该几乎在同一时刻开始的。那么我们可以进行不同测试条件下的双脉冲测试,读出每次开通过程中 IDS 与 VDS 之间的延时,然后去平均值后进行校准即可。

 

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