車載電驅(qū)“芯”引擎：RIGOL功率半導(dǎo)體動態(tài)性能測試解決方案解析

功率變換器是電能利用的重要裝置，其性能主要取決于其核心—功率半導(dǎo)體器件，常見類型有 MOSFET、IGBT和二極管。傳統(tǒng)Si器件已逼近材料極限，成為進(jìn)一步提升效率和功率密度的瓶頸。SiC器件憑借更高開關(guān)速度、高結(jié)溫下同時承受高壓大電流等特性，可顯著提升轉(zhuǎn)換效率、功率密度并降低系統(tǒng)成本，特別適用于車載逆變器、電動汽車充電樁、光伏、UPS、儲能及工業(yè)電源等場景。當(dāng)前國內(nèi)外 SiC產(chǎn)業(yè)鏈加速成熟，主流廠商已推出多款 SiC產(chǎn)品，成本持續(xù)下降，應(yīng)用正呈爆發(fā)式增長。

圖1 雙脈沖測試電路

功率半導(dǎo)體測試需求與挑戰(zhàn)

功率半導(dǎo)體動態(tài)參數(shù)測試（雙脈沖測試）是功率半導(dǎo)體研發(fā)與應(yīng)用中的核心評估工具，不僅提供關(guān)鍵動態(tài)參數(shù)，還通過模擬實際工況揭示器件的潛在風(fēng)險與優(yōu)化方向。

以SiC和GaN為代表的第三代半導(dǎo)體的快速發(fā)展和應(yīng)用給新能源汽車行業(yè)、電源行業(yè)等帶來顛覆性的變化，也給設(shè)計工程師帶來了非常大的測試挑戰(zhàn)。如何保證選用的高速功率器件能穩(wěn)定可靠的運行在自己的產(chǎn)品中，需要了解功率器件的動態(tài)特性。

針對上述挑戰(zhàn)，RIGOL提供了專業(yè)的功率半導(dǎo)體動態(tài)參數(shù)測試解決方案，助力工程師實現(xiàn)高效評估與優(yōu)化器件性能。

圖2 二極管反向恢復(fù)測試電路

功率半導(dǎo)體測試目的及原理

保證選用的高速功率器件能穩(wěn)定可靠的運行在自己的產(chǎn)品中，需要了解功率器件的動態(tài)特性，實現(xiàn)如下測試目的：

●   測量關(guān)鍵動態(tài)參數(shù)。測量開關(guān)損耗、開關(guān)時間、反向恢復(fù)特性等動態(tài)參數(shù)，用于優(yōu)化系統(tǒng)效率、評估器件響應(yīng)速度、判斷其在換流過程中的安全裕量。

●   驗證驅(qū)動電路設(shè)計。評估柵極驅(qū)動電阻的合理性，優(yōu)化驅(qū)動信號上升/下降斜率以減少開關(guān)震蕩。測試驅(qū)動芯片的保護(hù)功能是否有效。

●   對比器件性能。在不同的電壓、電流、溫度條件下測試，對比不同材料（Si IGBT和SiC MOSFET）或不同廠商器件的性能差異，支持選型決策。

●   分析寄生參數(shù)影響。

●   評估極端工況下的可靠性。

如圖1所示，以SiC MOSFET為例。雙脈沖測試電路由母線電容CBus、被測開關(guān)管QL、陪測 二極管VDH、驅(qū)動電路和負(fù)載電感L組成。測試中，向QL發(fā)送雙脈沖驅(qū)動信號，就可以獲得 QL在指定電壓和電流下的開關(guān)特性。實際功率變換器的換流模式有MOS-二極管和MOSMOS兩種形式，進(jìn)行脈沖測試時需要選擇與實際變換器相同的形式和器件。對于MOS-MOS 形式，只需要將二極管VDH換成SiC MOSFET QH，并在測試中一直施加關(guān)斷信號即可。

在測試二極管反向恢復(fù)特性時，被測管為下管，負(fù)載電感并聯(lián)在其兩端，陪測管為上管，測試中進(jìn)行開通關(guān)斷動作，如圖2所示。在整個測試中，QL進(jìn)行了兩次開通和關(guān)斷，形成了兩個脈沖，測量并保留QL的VGS、VDS、IDS波形，就可以對其第一次關(guān)斷和第二次開通時動態(tài) 特性進(jìn)行分析和評估了。

圖3 雙脈沖測試桌面系統(tǒng)

RIGOL功率半導(dǎo)體動態(tài)測試方案

RIGOL功率半導(dǎo)體動態(tài)參數(shù)測試方案，支持單脈沖、雙脈沖及多脈沖測試，集成了示波器、信號發(fā)生器、低壓直流電源、高壓直流電源、電壓電流探頭和軟件。測試項目包括關(guān)斷參數(shù)、開通參數(shù)和反向恢復(fù)參數(shù)。具體有關(guān)斷延遲td(off))、下降時間tf、關(guān)斷時間toff、關(guān)斷能量損耗Eoff、開通延遲td(on)、上升時間tr、開通時間ton、開通能量損耗Eon、反向恢復(fù) 時間trr、反向恢復(fù)電流Irr、反向恢復(fù)電荷Qrr、反向恢復(fù)能量Err、電壓變化率dv/dt和電流 變化率di/dt等。

RIGOL系統(tǒng)級測試平臺三大硬核利器包括MHO/DHO5000系列高分辨率示波器、PIA1000光隔離探頭、DG5000 Pro系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器。

圖4 雙脈沖測試平臺結(jié)構(gòu)

雙脈沖測試平臺

雙脈沖測試是評估功率器件動態(tài)特性的黃金標(biāo)準(zhǔn)。RIGOL方案包含以下核心組件：

●   DG5000 Pro信號發(fā)生器：生成高精度雙脈沖驅(qū)動信號，支持死區(qū)時間控制。

●   PIA1000光隔離探頭：1GHz帶寬、180dB共模抑制比，精準(zhǔn)測量浮地信號（如上管Vgs）。

●   MHO/DHO5000系列示波器：12bit高分辨率、4GSa/s采樣率、500Mpts存儲深度，支持多通道同步捕獲Vgs、Vds、Ids等信號。

圖5 下降時間測試Toff

汽車電子測試正從單一信號捕捉走向系統(tǒng)級功率分析，RIGOL功率半導(dǎo)體動態(tài)性能測試解決方案通過高帶寬采樣、光隔離測量與多脈沖激勵，把“毫厘級”的能量損耗轉(zhuǎn)化為可量化、可復(fù)現(xiàn)、可對比的數(shù)據(jù)，幫助客戶在第三代半導(dǎo)體時代“測得準(zhǔn)、跑得遠(yuǎn)”。如需了解更多技術(shù)細(xì)節(jié)及最新方案，請訪問RIGOL官網(wǎng)或聯(lián)系專業(yè)客服。