我們將高功率SiC器件定義為處理1kV和100A范圍內的器件，這相當于100kW的功率。SiC晶體管處理和服務的高電壓、高電流和快速開關系統(tǒng)的性質帶來了許多在普通5V或12V系統(tǒng)中不會出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。例如：

● 100A量級的電流會將印刷電路板 (PCB) 導線暴露為寄生電阻元件，從而產生顯著的IR壓降。

● 1000V量級的電壓會使微小的寄生電容儲存大量電荷，從而在開關操作中導致顯著的功率損耗。

● SiC器件的快速開關能力使所有導體元件表現(xiàn)為寄生電感元件，從而在開關操作中引發(fā)不必要的反電勢電壓突波。

● 根據(jù)Maxwell的理論，快速開關的電容器和電感器會產生電磁活動，例如EMI/EMC。

● 高功率測量需要使用體積較大的探頭和堅固的電纜進行穩(wěn)固的探測，但上述挑戰(zhàn)要求連接長度盡可能短。此外，處理這些龐大的探頭和電纜時，還需注意安全，以避免短路事件或損壞。因此，測試設置必須保持整潔和簡化。

● 上述反電勢電壓突波輕松達到50V至60V，這超出了大多數(shù)測量設備從地面測量的最大允許峰值電壓限制。這使得在測試設置中選擇合適的“測量接地平面”變得更加困難。

SiC器件的快速開關特性包括高頻率，要求測量信號的精度至少達到100MHz或更高帶寬 (BW)，這需要使用額定500MHz或更高頻率的示波器和探頭。在本文中，寬禁帶功率器件供應商Qorvo與Tektronix合作，基于實際的SiC被測器件 (DUT)，描述了實用的解決方案。

圖 1.Qorvo 提供具有極低 R 的高電壓、大電流 SiC FETDS 系列（開）。

雙脈沖測試 (DPT) 概述

為了完全驗證基于SiC或GaN的寬禁帶 (WBG) 器件，需要進行靜態(tài)和動態(tài)測量。測量WBG器件的開關參數(shù)和二極管反向恢復參數(shù)的首選測試方法是雙脈沖測試 (DPT)。

雙脈沖測試是一種行業(yè)標準技術，用于在被測器件 (DUT) 的開啟、關閉以及反向恢復過程中測量一系列重要參數(shù)。基本測試設置如圖2所示。假設高側和低側使用相同的晶體管器件，高側晶體管可以保持關閉狀態(tài)，從而可以測量開關損耗和反向恢復損耗。為了確定電路中的DPT開關參數(shù)，需要觀察低側器件的 VDS、ID和VGS。二極管的反向恢復參數(shù)則通過測量高側器件的ID和VDS來確定。DPT設置必須向隔離柵極驅動器生成至少兩個不同脈寬的脈沖，以觸發(fā) FET 或IGBT并控制電流的導通。這些脈沖可以通過任意波形發(fā)生器 (AFG) 生成。圖2是簡化的示意圖，未顯示柵極驅動器。在實際應用中，AFG通常會連接隔離柵極驅動器，如圖4所示。圖3展示了DPT波形的示例。

圖2：在低側DPT測試中，高側FET關閉，低側FET開關。此簡化設置展示了信號流的基本情況。在實際測試設置中，功能發(fā)生器會驅動一個隔離柵極驅動器（詳見圖4的詳細電路）。

圖 3：FET或雙極晶體管測試的概念性DPT波形。左側顯示低側柵極信號。在第一階段，DUT導通，電流（右圖紅色部分）通過電感器建立；在第二階段，DUT關閉；在第三階段，DUT再次導通——電流出現(xiàn)瞬時尖峰，因為高側二極管的電流發(fā)生反向，然后電流通過電感器繼續(xù)增加，直到DUT再次關閉。

Qorvo的測試設置

在對100kW范圍內的DUT進行測試時，我們最關心的是操作人員在執(zhí)行DPT測量時的安全。在建立可重復、可靠的DPT電路板和設置之前，驗證概念原型時的安全措施尤為重要。最有效的安全策略是通過移除如電纜和探頭頭部等雜亂元件，保持測試設置簡潔。

作為6系列MSO示波器的用戶，Qorvo發(fā)現(xiàn)幾乎所有必要的測量都可以通過6系列MSO和安裝的AFG選件完成。簡而言之，6系列MSO的內置AFG可以從其后面板生成雙脈沖，同時其輸入端的探頭可以收集信號信息。

圖4：DPT設置，Qorvo的方法。隔離高側柵極驅動器的輸入接地，并向高側FET提供-3V電壓以保持其關閉。低側隔離柵極驅動器由示波器的 AFG 輸出提供信號，控制低側FET的開啟（+15V）和關閉（-3V）。TIVP1 IsoVu光學隔離探頭直接連接到電流觀測電阻 (CVR)，以盡可能減少電氣布線的方式測量ID-LOW引起的電壓降。

圖5：Qorvo測試設置的照片，放置在防護箱中。

采用建議的6系列MSO DPT設置的優(yōu)勢包括：

● 輕松識別測量接地：

6系列MSO內部的所有接地都連接到底盤（地球）接地，包括：

  -  AFG輸出BNC電纜接地

  -  任何非隔離探頭的接地（屏蔽/引線）

● 簡化布線/電纜連接

● 通過PC進行全遠程控制：

6系列MSO可以通過PC完全遠程控制，這不僅使探頭電纜保持較短，還允許測試工程師在高能量測試過程中與測試系統(tǒng)保持安全距離。

為了完成測量設置并利用6系列MSO的AFG選件，必須開發(fā)一種方法，在AFG上生成DPT柵極驅動信號。

使用任意波形作為柵極驅動信號

本文提供了一種編程方法，通過6系列MSO的內置AFG自動生成柵極驅動信號。建議使用這種自動化方法以提升速度、靈活性和可重復性。然而，為了理解程序操作過程，回顧手動操作步驟及其對應的儀器命令仍然很有價值。

定義DPT信號時, 需要兩個不同脈寬的脈沖，第一個較長的脈沖為線圈充電至目標電流，第二個較短的脈沖在線圈電流衰減之前啟用導通測量。要在AFG上生成此類信號，可定義一個具有正確脈沖寬度的自定義波形。該自定義波形需以Tektronix的“.wfm”或“.csv”格式保存，可通過Microsoft Excel等電子表格軟件構建。通過指定時間和電壓對（X,Y）構建分段線性數(shù)據(jù)格式，并將文件保存為“.csv”文件。

6系列MSO的AFG選件可發(fā)送指定重復次數(shù)的突發(fā)序列。從前面板操作時，可通過AFG輸出控制選擇突發(fā)模式，并設置周期數(shù)。在此案例中，我們將使用AFG的任意波形功能定義完整的DPT柵極驅動信號（見圖6），并設置突發(fā)模式以輸出1個信號周期。

要配置AFG使用自定義波形，必須將波形類型設置為“任意”，并選擇為測試定義的自定義波形文件。高電平和低電平以及周期可根據(jù)具體測試進行調整。

盡管可以手動執(zhí)行這些操作，但手動調整脈沖寬度和加載自定義波形文件非常不便。Qorvo開發(fā)的一款程序極大地簡化了波形規(guī)范和AFG設置。

圖6：AFG設置對話框。對于DPT，使用任意波形提供柵極驅動信號。

將示波器連接到PC

為了增加測試設置與操作員之間的物理距離并提高安全性，可以通過以太網(wǎng)LAN或USB將6系列MSO連接到PC。通過LAN連接時，未安裝Windows的6系列MSO可通過e*Scope Web服務器輕松實現(xiàn)遠程控制。安裝了 Windows 的儀器可以通過遠程桌面進行控制。除了這種遠程控制功能外，LAN連接還可用于上傳本文檔中介紹的“.csv”文件到示波器，并生成DPT信號。

6系列MSO還可以通過USB通信，本文中介紹的DPT程序也可以通過USB使用。然而，通過USB無法使用e*Scope遠程接口。以下部分提供了使用LAN和USB的示例。

DPT程序使用PyVISA Python庫，該庫支持大多數(shù)儀器接口。因此，可以將代碼調整為通過RS-232或GPIB等其他接口支持其他儀器。

實際測試運行示例及測量

在實際DUT上執(zhí)行DPT程序的過程中所有6系列MSO的屏幕截圖均來自使用Qorvo的DPT測試板作為DUT的測試。DUT和DPT設置的相關信息如下：

● DUT：Qorvo的1200V SiC共源極器件

● 柵極驅動：+15V和-3V，雙極性驅動

● DC電源母線電壓：500 V

● 電感器：300mH手工纏繞線圈

● 高側FET：不驅動，保持二極管導通模式

● 通道配置：

  - CH1：使用TPP1000探頭通過MMCX SMD連接器測量柵極-源極電壓

  - CH2：通過5mΩ電流測量電阻(CVR)和TIVP1 IsoVu 1 GHz光學隔離電壓探頭測量漏極電流

  - CH3：使用THDP0100高電壓差分探頭（6kV范圍）測量漏極-源極電壓

  - CH4：通過Rogowski電流探頭測量線圈電流

圖13：技術細節(jié)的DPT示例。

運行帶有參數(shù) “1 55 0.5 0.5 0.5 0.5”的程序后，如圖13所示，AFG加載完成并準備進行三脈沖測試。

圖14: 程序運行后的AFG對話框，顯示由程序配置的設置

在圖14中的對話框中，我們可以確認程序設置了以下參數(shù)（從左上到右下）：

突發(fā)模式：已選擇

突發(fā)計數(shù)：設置為1

任意波形：已選擇

臨時CSV文件：已選擇

周期：設置為57.2微秒（儀器計算的頻率為17.48kHz）。57.2微秒的周期由以下部分構成：

-  0.1微秒的起始時間（關閉）

-  55微秒的第一個脈沖寬度

-  0.5微秒的第一個關閉時間

-  0.5微秒的第二個脈沖寬度

-  0.5微秒的第二個關閉時間

-  0.5微秒的第三個脈沖寬度

-  0.1微秒的結束時間（關閉）

高電平和低電平：分別設置為5V和0V（儀器計算的振幅為5Vpp，偏置為2.5V）。

負載阻抗：設置為高阻抗（High Z）。

無添加噪聲

圖15：放大后的波形顯示三脈沖DPT的結果。使用6系列MSO上的WBG-DPT軟件計算的VDS_peak、ID_peak、EON和EOFF測量值顯示在測量標牌中。

需要注意的是，為了獲得準確的能量損耗測量結果，必須消除電流和電壓探頭之間的偏移（去偏）。這一操作已在圖15所示的測試運行之前完成。VDS_peak、ID_peak、EON和EOFF測量值是通過6系列MSO的WBG-DPT雙脈沖測量軟件包完成的（下一節(jié)會詳細介紹）。最重要的是，我們可以看到Qorvo的DUT在1MHz PWM開關頻率下硬開關了100A 電流，并保持了干凈的方波脈沖形狀。

自動化DPT測量

在完成系統(tǒng)配置后，需要考慮實際的開關測量。如圖15所示的能量損耗測量可以通過示波器上的數(shù)學功能定義。然而，圖15中顯示的測量結果是使用6系列MSO上的WBG-DPT雙脈沖測試軟件完成的。該自動化DPT測試軟件包符合JEDEC和IEC標準，適用于SiC/GaN MOSFET等寬禁帶 (WBG) 器件以及 IGBT 的 DPT 測試。

此外，Tektronix和Keithley提供獨立的任意波形發(fā)生器和直流電源，以補充雙脈沖測試的完整解決方案。

圖16：適用于4/5/6系列MSO的WBG-DPT選項，可自動化雙脈沖測試的測量，包括開關參數(shù)、時間、二極管恢復和電容分析。

圖17：WBG-DPT軟件包自動設置功率波形和積分，以提供能量損耗測量，例如圖中詳細顯示的EON測量值。

總結

正如本應用筆記中所示，5系列或6系列MSO的內部AFG可用于生成雙脈沖信號，同時示波器采集信號。專門設計的雙脈沖測試軟件 (WBG-DPT) 有助于簡化關鍵測量過程，利用示波器的內部AFG生成雙脈沖柵極驅動信號，為雙脈沖測試提供了有效的解決方案。這種方法簡化了雙脈沖測試并降低了系統(tǒng)成本，同時減少了接地點的數(shù)量。此外，測試可以完全通過遠程控制進行，這使得工程師能夠在高電壓、高電流的DUT環(huán)境下與測試系統(tǒng)保持安全距離。

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