如何利用泰克示波器实现功率半导体双脉冲测试分析

引言

实施双脉冲测试，不仅能精确测量功率设备的开关特性和损耗，而且能进一步优化电力转换过程。通过Tektronix 4B/5B/6B 系列 MSO 上的WBG-DPT应用软件，可以通过自动化测试流程，显著提高测试效率和结果的可靠性。本篇将详细介绍WBG-DPT的优势，如缩短测试时间、提高测量的重复性，以及按照JEDEC/IEC标准或自定义参数进行精准测量的能力。此外，还将展示如何使用WBG-DPT软件进行高级测量设置，如死区时间测量和反向恢复特性分析，这些功能对于提升半导体测试的效率和精度至关重要。

4/5/6系列MSO上的双脉冲测试软件

WBG-DPT应用相较于手动测试提供了几个重要优势：

• 缩短测试时间

• 即使在带有振铃的信号上也能实现可重复的测量

• 根据JEDEC/IEC标准或使用自定义参数进行测量

• 预设功能以便于示波器设置

• 在脉冲之间和注释之间轻松导航

• 在结果表中总结测量结果

• 通过报告、会话文件和波形记录结果

• 完整的编程接口实现自动化

• 使用可配置的限制和对失败采取的行动进行合格 / 不合格测试

有关 WBG-DPT 应用的更多信息，请参阅数据表。

测量分为开关参数分析、开关定时分析和二极管恢复分析。

图16. WBG-DPT应用中的开关定时分析测量。

WBG Deskew功能

脉冲的幅度设置为2.5伏。第一个脉冲的脉宽设置为10微秒，间隙设置为5微秒，第二个脉冲设置为5微秒。触发设置为手动。

SMU仪器设置为向HV源输入100伏。配置好门驱动信号和电源后，现在可以使用示波器上的WBG-DPT应用来配置和执行双脉冲测试。

图17. WBG Deskew过程专门用于双脉冲测试，并在信号被获取后实现电流和电压波形的对齐。

图18：双脉冲测试波形。

注意图18中的波形与图8中显示的波形相似。再次提到，Ids上看到的电流超调是由于高侧MOSFET/IGBT的自由轮二极管的反向恢复。这个尖峰是被使用设备的固有特性，并将导致损耗。

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测量开通和关断时序及能量损失

为了计算开通和关断参数，我们查看第一个脉冲的下降沿和第二个脉冲的上升沿。

测量开通和关断参数的行业标准如图19所示。

图19：开关时间标准波形 [5]。

• td(on)：VGS在其峰值的10%与Vds在其峰值的90%之间的时间间隔。

• Tr：VDS从90%降到10%的峰值之间的时间间隔。

• td(off)：VGS在其峰值的90%与Vds在其峰值的10%之间的时间间隔。

• Tf：VDS从10%升到90%的峰值之间的时间间隔。

图20：示波器上的DPT软件支持标准和自定义参考水平。滞回带设置了参考水平的范围，信号必须穿过该范围才被识别为一个过渡。这有助于过滤掉偶发事件。

图21展示了在示波器上捕获的波形和开通参数的测量。在示波器上，启动WBG-DPT应用。选择功率设备类型为MOSFET。配置VDS 、ID和VGS源。

转到开关定时分析组。添加Td(on)、Td(off)、Tr和Tf测量。配置Td(on)测量，点击预设。这将示波器设置为单次采集。

开启电源。

开启AFG31000以产生输出脉冲。

如图21所示，结果波形被捕获在示波器上。

然后使用以下方程计算过渡期间的能量损失：

通常，设计师会在示波器上使用积分功能来计算这一特定的能量损失。WBG-DPT应用在开关参数分析组下提供Eon测量。这个测量设置了积分并快速显示结果。上述相同的方程可用于计算关断过渡期间的能量损失：

DPT应用在开关参数分析菜单中包括一个自动Eoff测量。这执行计算并直接提供能量损失结果。

注意：示波器捕获的数据仅供参考。

图21：开通参数波形

图22展示了使用示波器光标获得的关断波形测量。

图22：关断参数波形。

测量反向恢复

现在，需要测量MOSFET的反向恢复特性。

图23

反向恢复电流发生在第二个脉冲的开通期间。如图 23所示，在第二阶段，二极管在正向条件下导通。当低侧MOSFET 再次开通时，二极管应立即切换到反向阻断状态；然而，二极管会在一个短时间内以反向条件导通，这被称为反向恢复电流。这种反向恢复电流转化为能量损失，这直接影响了功率转换器的效率。

现在测量高侧MOSFET的参数。通过高侧MOSFET测量Id，并在二极管上测量 Vsd。

图23还展示了如何检索反向恢复参数：

•反向恢复参数：trr（反向恢复时间）、Irr（反向恢复电流）、Qrr（反向恢复电荷）、Err（反向恢复能量）、di/dt和Vsd（正向导通电压）。

然后使用以下方程计算过渡期间的能量损失：

WBG-DPT支持在二极管反向恢复组下测量Trr 、Qrr和Err。波形和捕获的结果显示在图24中。

多个Trr测量也可以在一个重叠的图中显示，显示选定的脉冲、标注、切线和配置的值。

图24：反向恢复波形。显示器顶部的波形显示了多个事件的重叠图。切线（A-B）表示当前选中的测量事件。

测量死区时间

对于半桥配置中的开关设备，为了确保被测试设备（DUT）的完整性和人员的安全，一个开关在另一个开关开启前必须关闭。如果两个开关同时开启，会发生“穿透”现象，这将导致失败。然而，两个开关关闭的时间过长会影响效率。因此，优化死区时间是一个关键的设计目标。∆t∆t = 死区时间Vgs1 Vgs2g图25。在半桥功率转换器中，死区时间是一个开关设 备关闭和另一个FET开启之间的延迟，如图中的Δt所示。

图25

死区时间（Tdt）是一个MOSFET关断时间和另一个MOSFET开通时间之间的时间延迟，通过每个 MOSFET的门驱动信号测量。死区时间在图25中显示为Δt。

WBG-DPT应用包含一个自动化的死区时间测量，可以在“开关定时分析”选项卡下找到，如图16所示。Tdt测量显示在图26的显示屏右侧的徽章中。死区时间是一个门电压的配置下降沿级别和另一个门电压的配置上升沿级别之间的时间间隔。默认的上升和下降沿级别为50%。测量注释（虚线垂直线）标示了门驱动信号上的死区时间测量。

在某些情况下，必须在具有缓慢上升或下降时间的波形上进行死区时间测量。在这些情况下，可以在测量中配置自定义边缘级别。自定义级别可以相对于波形的高低级别，或者是绝对值。

图26. 自动化死区时间测量。第6通道的门驱动信号（绿色）关闭低侧MOSFET，然后高侧MOSFET的门驱动信号（黄色）开启高侧MOSFET。

结语

双脉冲测试是测量功率设备的开关参数和评估其动态行为的首选测试方法。使用这个应用的测试和设计工程师对了解功率设备的开关、定时和反向恢复行为表现出浓厚的兴趣。此测试需要两个具有不同脉宽的电压脉冲，这是主要的用户痛点，因为创建具有不同脉宽的脉冲的方法耗时较长。

在4/5/6系列MSO上的WBG-DPT双脉冲应用能够进行特定标准的测试，分析功率设备的行为，与手动测试相比节省时间。该应用包括一个预设功能，以帮助捕获正确的波形，提供详细的配置选项以超越标准测试，启用信号调理功能以分析噪声波形，提供导航和注释功能，并提供详细的文档以实现可重复的测量。