功率元件動態參數測試系統選型指南
作者 : 泰克科技
動態特性是功率元件的重要特性，在元件研發、系統應用和學術研究等各個環節都扮演著非常重要的角色。故對功率元件動態參數進行測試是相關工作的必備一環，主要採用雙脈衝測試進行。
按照被測元件的封裝類型，功率元件動態參數測試系統分為針對分離式元件和功率模組兩大類。長期以來，針對功率模組的測試系統佔絕大部分市場份額，針對分離式元件的測試系統需求較少，選擇也很侷限。隨著中國大陸功率元件國產化進程加快，功率元件廠商和系統應用企業也越來越重視功率元件動態參數測試，特別是針對分離式元件的測試系統提出了越來越多的需求。
縱觀現階段市場上能夠提供的功率元件動態參數測試系統，其技術和服務參差不齊。非常容易出現實際測試效果無法達到規格書所列規格的情況，甚至有的測試系統連基礎的測試功能都不具備，使得用戶花了冤枉錢，也浪費了大量的時間和精力。
為了避免上述問題再發生在廣大工程師身上，本篇文章將帶領大家一起看看如何在進行功率元件動態參數測試系統選型時避開地雷。
01：滿足的測試電壓、電流範圍
我們在選擇測試系統時，首先面臨的問題是測試系統能夠測試元件的電壓和電流範圍。測試系統的規格書上一般會標註「最大xxxV / xxxA」，但這樣的標註方式是遠遠不夠的，會出現在低於最大電壓時達不到最大電流的情況。
設測試中負載電感為L，母線電容為C，測試電壓為V，測試電流為I，則雙脈衝第1脈寬τ、第1脈寬結束時母線電壓暫降比例為小於Kv時需滿足：
可見τ用於使電流達到I，τ隨I和L的增大而增大，隨V的增大而減小。在實際測試中，τ的時間不宜過長，負責會使得元件發熱嚴重影響測試結果。同時，C需要大於一定數值確保其在第1脈寬結束時母線電壓比例為小於Kv，這樣才能夠保證在第2脈衝時母線電壓暫降在可接受範圍內，負責雙脈衝測試的開通和關斷的電壓不一致。C隨I和L的增大而增大，隨V和Kv的增大而減小。測試中，C和L是由硬體條件確定的，V由測試條件給定，同時對τ又有要求上限要求，這些參數一同決定了能夠實現的測試電流。
針對高壓元件，假設C=40uF、電容耐壓值1100V、L=10uH/50uH/100uH、τ的上限τmax<20us；針對低壓元件，假設C=3000uF、電容耐壓值200V、L=10uH/50uH/100uH、τ<20us。高壓元件在400V測試條件下，負載電感選擇100uH時可達36A、選擇50uH時可達51A、選擇10uH時可達100A以上；在800V測試條件下，負載電感選擇100uH時可達72A、選擇50uH時可達101A，選擇10uH可達200A以上。
低壓元件部分，在20V測試條件下負載電感選擇100uH時僅4A、選擇50uH時僅8A、選擇10uH時可達40A；在150V測試條件下，負載電感選擇100uH時可達30A、選擇50uH時可達60A、選擇10uH可達300A。
高壓元件為了滿足高壓的測試需求，須選擇耐壓值高的母線電容，但此類電容容值較小，如用該電容來測試低壓元件，能夠實現的最大電流將大打折扣。對於功率元件來說，耐壓和導通電阻是一對矛盾的關係，低壓元件往往需要更大測試電流，所以低壓元件應選擇容值更大的母線電容。此外，由上圖可知，在測試電壓相同，負載電感越小可實現的最大電流值越大，為了滿足低壓元件大電流的要求，也應選擇感量更小的負載電感。
由此可見，測試系統能夠實現的最大測試電流由C、L、V、τmax共同決定。大家在進行測試系統選擇時，就可以通過上述方法進行計算，考察其是否能夠滿足測試需求。
02：支援的元件封裝類型
長期以來，針對分離式元件的測試系統選擇很少，其中一個原因是分離式元件的封裝種類很多導致開發成本和硬體成本高，特別對於貼片封裝元件更是如此。市面上大多數測試系統僅支援TO-247、TO-220這樣的外掛程式元件，無法對其他封裝形式的元件進行測試，相當大程度的限制了測試系統的應用場景。
針對這一問題，泰克科技推出的功率元件動態參數測試系統DPT1000A，採用轉接板的方式滿足了絕大多數封裝形式分離式元件的測試需求。轉接板上採用轉接座(socket)對元件進行電氣連接，轉接板再插入到測試電路上的socket上，能夠方便快速地實現被測元件及不同封裝的更換。
泰克半導體功率元件動態參數測試系統DPT1000A。 (來源：泰克)
03：示波器、探頭的測量能力
合適的測量儀器是測試系統能夠獲得精準的測試結果的基礎，主要包括示波器、電壓探頭、電流探頭。我們可以看到一些測試系統在測量儀器選擇上存在很大的問題，例如：
- 使用基礎示波器測量高速MOSFET、高速IGBT、SiC MOSFET，由於頻寬和取樣速率嚴重不足導致測試結果與實際值偏差較大。
- 使用ADC位數為8bit的示波器測量高電壓、大電流元件，由於解析度低導致測量值精準度差。
- 使用高差分探頭測量驅動波形，導致波形雜訊大、震盪嚴重。
- 使用羅氏線圈測量SiC MOSFET的端電流，由於頻寬嚴重不足導致測試結果與實際值偏差較大。
泰克針對被測信號的特徵在功率元件動態參數測試系統DPT1000A，選擇使用了合適的測量儀器以提升測試結果的精準度。示波器選用MSO5B系列，頻寬最高可達2GHz、記錄長度高達500M並具備12位ADC，可滿足高速開關對頻寬的要求且具備較高的取樣速率、更低的雜訊和更高的垂直解析度。柵極波形測量選用無源探頭，頻寬可達1GHz、衰減倍數小並具備MMCX介面，可精準測量下管的驅動電壓，並降低了接地線的影響。
端電壓測量選用高壓差分探頭，在滿足寬電壓測量範圍的同時具有更大的輸入阻抗，提供了安全的測試保障。端電流測試選用shunt電阻，其頻寬達到1GHz以上，能夠滿足高速元件對頻寬的要求。
04：上管測試能力
雙脈衝測試採用的是半橋電感負載電路，有時會需要對上橋臂元件進行測量。很多測試系統使用高壓差分探頭測試上橋臂元件驅動信號，測得的波形往往存在很嚴重的震盪，當測試高速MOSFET、高速IGBT、SiC MOSFET時情況更加嚴重。這種情況由於高壓差分探頭的共模拒斥比(CMRR)在高頻下嚴重降低所導致的，此時測試系統實際上是不具備對上橋臂元件的測試能力的。
動態參數測試系統DPT1000A中，選用了泰克的IsoVu光隔離探頭進行上橋臂元件的測試。IsoVu光隔離探頭共模電壓高達±60kV，差分信號最高可達±2000V，頻寬最高可達1GHz，同時具有優異的CMRR，在1GHz下仍可達-90dB。如此優異的特性確保了對上橋臂元件的測試能力。
05：主電路、驅動電路回路電感
在測試電路中有兩個關鍵回路，即主電路回路和驅動電路回路，它們對元件動態特性的影響極大，也是評判測試電路性能好壞的關鍵指標。傳統的功率元件的開關速度較慢，對上述兩個回路的寄生電感要求不高。但隨著高速MOSFET、高速IGBT、SiC MOSFET的出現，原先功率元件動態參數測試系統回路電感大的問題就暴露出來了。
具體來講，當主電路回路電感太大，會導致元件的截止電壓降分過高，當其超過元件耐壓值時，就有可能導致元件過壓損壞。當驅動電路回路電感過大時，會導致驅動波形出現嚴重震盪，同時驅動回路還容易受到元件在開關過程中產生的高di/dt的干擾，進一步加劇震盪，可能導致元件柵極過壓擊穿、元件誤導通導致橋臂直通。
動態參數測試系統DPT1000A針對這一問題進行了測試電路參數優化，使其能夠測量包括SiC MOSFET的高速元件。驅動電路貼近被測元件並採用PCB佈線連結，盡可能減小了驅動電路回路電感。同時，在母線電容選取、PCB佈線、電流採樣方式上進行了優化，進一步降低了主電路回路電感。
本文原刊登於EDN China網站
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