【導(dǎo)讀】在電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，為確保電源晶體管的性能評(píng)估準(zhǔn)確性，選擇合適的器件至關(guān)重要。理想情況下，功率半導(dǎo)體供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)表應(yīng)包含一致且可比較的動(dòng)態(tài)參數(shù)。然而，在實(shí)際操作中，尤其是針對(duì)表征寬帶gap（WBG）功率晶體管的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性測(cè)試，實(shí)現(xiàn)使寄生蟲保持較小且從系統(tǒng)之間保持一致的挑戰(zhàn)。本文聚焦于設(shè)計(jì)一套標(biāo)準(zhǔn)化的雙脈沖測(cè)試（DPT）系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)不同測(cè)試系統(tǒng)間動(dòng)態(tài)特性結(jié)果的可關(guān)聯(lián)性。文中詳細(xì)闡述了在設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)時(shí)需考慮的關(guān)鍵因素，包括如何最小化寄生參數(shù)影響及確保系統(tǒng)間測(cè)試條件的一致性。
在電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，為確保電源晶體管的性能評(píng)估準(zhǔn)確性，選擇合適的器件至關(guān)重要。理想情況下，功率半導(dǎo)體供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)表應(yīng)包含一致且可比較的動(dòng)態(tài)參數(shù)。然而，在實(shí)際操作中，尤其是針對(duì)表征寬帶gap（WBG）功率晶體管的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性測(cè)試，實(shí)現(xiàn)使寄生蟲保持較小且從系統(tǒng)之間保持一致的挑戰(zhàn)。本文聚焦于設(shè)計(jì)一套標(biāo)準(zhǔn)化的雙脈沖測(cè)試（DPT）系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)不同測(cè)試系統(tǒng)間動(dòng)態(tài)特性結(jié)果的可關(guān)聯(lián)性。文中詳細(xì)闡述了在設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)時(shí)需考慮的關(guān)鍵因素，包括如何最小化寄生參數(shù)影響及確保系統(tǒng)間測(cè)試條件的一致性。
原則上，DPT設(shè)置很簡(jiǎn)單，如圖1所示。測(cè)試工程師通常通過(guò)用二極管替換“高側(cè)”晶體管來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)。但是，在仔細(xì)觀察并考慮不斷提高WBG設(shè)備的開(kāi)關(guān)速度之后，系統(tǒng)中需要考慮許多重要的外部寄生組件（圖2）。
DPT設(shè)置的簡(jiǎn)化圖。
圖1：DPT設(shè)置的簡(jiǎn)化圖。
許多外部寄生蟲，尤其是三個(gè)主要回路 - 電源回路，柵極環(huán)和直流鏈路循環(huán) - 主要是因?yàn)樗鼈円肓瞬ㄐ巍Ｎ覀冊(cè)谝郧暗奈恼轮袑?duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的討論。但是，寄生蟲也極大地影響了提取的開(kāi)關(guān)參數(shù)。外部影響，例如電源循環(huán)和柵極循環(huán)LSS共有的電感，外部柵極電阻RG，外柵極電感LG和負(fù)載電感寄生蟲會(huì)影響功率半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)速度。此外，測(cè)得的開(kāi)關(guān)能量受當(dāng)前分流器的載荷電感和寄生電感（LSHUNT）的寄生能力（CIND）的影響。
圖2：具有一些重要的外部寄生蟲的DPT設(shè)置
正如我們上一篇文章所討論的那樣，分流帶寬對(duì)開(kāi)關(guān)能量有重大影響。寄生元件在轉(zhuǎn)啟動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)致較高的測(cè)量電流峰，并放大測(cè)得的電流信號(hào)的所有高頻成分。表征用于測(cè)量的分流有助于地降低Lshunt的影響，以便在適當(dāng)補(bǔ)償時(shí)不必考慮它以進(jìn)行可比性。
功率半導(dǎo)體數(shù)據(jù)表顯示了有關(guān)用于提取開(kāi)關(guān)參數(shù)的DPT系統(tǒng)的幾乎沒(méi)有信息。除了測(cè)試參數(shù)（例如VDS，ID，VGS）外，通常還指定RG和LIND。所有這些參數(shù)都可以在系統(tǒng)中輕松控制和更改。
一些數(shù)據(jù)表還顯示了負(fù)載電感器和總功率環(huán)電感的寄生電容（CIND）。 CIND是一個(gè)重要的參數(shù)，因?yàn)樗c高側(cè)設(shè)備并行引入了額外的電容。在上交期間，這種額外的電容會(huì)導(dǎo)致比設(shè)備的實(shí)際反恢復(fù)電流更高的測(cè)量峰值電流，從而增加了轉(zhuǎn)盤期間的開(kāi)關(guān)能量。燈具布局本身還可以引入具有相似效果且從未指定的寄生電容。可以在圖3中看到此效果，顯示了VD和ID的轉(zhuǎn)式波形。具有較高電感器的測(cè)量值較高，較長(zhǎng)且稍長(zhǎng)于電流峰和延遲的降落邊緣。這導(dǎo)致開(kāi)關(guān)能量的增加為4.5％。因此，保持CIND并引入布局寄生能力很重要。
兩種電感器之間的轉(zhuǎn)式波形比較有不同的cind
圖3：兩個(gè)有不同CIND的電感器之間的轉(zhuǎn)式波形比較
總功率循環(huán)電感很重要，因?yàn)樗趇 d的轉(zhuǎn)盤邊緣在i d的轉(zhuǎn)盤邊緣中產(chǎn)生了下垂，vds，vds，drop = lpowerloop·did/dt [1]
對(duì)于具有陡峭電流坡度的快速開(kāi)關(guān)設(shè)備，這種電壓下垂變得很重要，必須考慮進(jìn)行上升時(shí)間計(jì)算。將功率循環(huán)電感分為其組件LS和LDS很重要，因?yàn)樗鼈円圆煌姆绞接绊懴到y(tǒng)和測(cè)量結(jié)果。 LSS在柵極環(huán)中產(chǎn)生負(fù)反饋時(shí)會(huì)降低開(kāi)關(guān)速度。這減慢了轉(zhuǎn)交和關(guān)閉過(guò)渡的輸出電流斜率。較慢的電流斜率也會(huì)減小鈴聲。相比之下，是所有信號(hào)（VD，ID，VGS）上響起的主要來(lái)源，但實(shí)際上對(duì)開(kāi)關(guān)速度沒(méi)有影響。重要的是要了解LSS和LD，因?yàn)樗鼈兊挠绊懢哂邢喾吹挠绊憽?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
在我們的上一篇文章中，我們還討論了示波器輸入時(shí)間偏斜的影響以及如何地減少它。信號(hào)偏斜對(duì)于依賴兩個(gè)不同信號(hào)（例如開(kāi)關(guān)能量和延遲時(shí)間）的參數(shù)很重要。考慮這些參數(shù)的探針位置很重要。可以將探針?lè)胖迷诮咏鼫y(cè)試的設(shè)備（DUT）的附近或遠(yuǎn)處，因此將痕量長(zhǎng)度更改為探針。由于信號(hào)傳播延遲，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中的額外偏斜。一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試表明，將其位置更改為幾厘米，導(dǎo)致延遲時(shí)間的變化增加了0.5 ns（圖4）。對(duì)于延遲時(shí)間> 50 ns的較慢的開(kāi)關(guān)設(shè)備，這可能并不重要。但是，新的，更快的設(shè)備顯示延遲時(shí)間為5 ns或以下，轉(zhuǎn)化為10％或更高的誤差。
覆蓋具有不同位置的v_gs探針（藍(lán)色）的覆蓋波形。
圖4：覆蓋的轉(zhuǎn)式波形具有不同位置的V_GS探針（藍(lán)色）。
設(shè)計(jì)DPT系統(tǒng)可比結(jié)果
目前，半導(dǎo)體制造商使用自制DPT系統(tǒng)來(lái)獲取開(kāi)關(guān)參數(shù)。但是，許多制造商無(wú)法將系統(tǒng)的結(jié)果與系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。有兩種方法可以在多個(gè)系統(tǒng)測(cè)試WBG功率晶體管之間獲得可比較的結(jié)果。對(duì)于種方法，制造商對(duì)其DPT系統(tǒng)的寄生蟲進(jìn)行了特征，并將其納入指定特征的測(cè)試條件。但是，很難知道并共享有關(guān)所有寄生蟲（布局，電感器等）的信息。這并不容易，甚至可能以高精度測(cè)量其中一些寄生蟲。即使所有條件都具有很高的精度并陳述，仍然很難量化這些寄生蟲對(duì)結(jié)果的確切影響。
表1顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的示例，說(shuō)明了比較在兩個(gè)不同DPT系統(tǒng)上獲得的測(cè)量結(jié)果的難度。該示例僅顯示一些測(cè)試條件。一個(gè)逼真的表顯示所有必要的測(cè)試條件將列出更多參數(shù)。在相同的測(cè)試電壓，電流和相同的柵極電阻值以相同的測(cè)試電壓下測(cè)量?jī)蓚€(gè)設(shè)備，但在不同的DPT系統(tǒng)上測(cè)量。與設(shè)備B相比，設(shè)備A清楚地顯示了轉(zhuǎn)交和更高的開(kāi)關(guān)能量。但是，如前所述，開(kāi)關(guān)速度和能量的主要影響之一是LSS。與設(shè)備B的測(cè)試系統(tǒng)相比，用于表征設(shè)備A的測(cè)試系統(tǒng)具有更高的LSS。沒(méi)有模擬和詳細(xì)的分析，很難比較設(shè)備并知道哪種設(shè)備更快，并且在目標(biāo)應(yīng)用程序中消耗了更少的開(kāi)關(guān)能量。
表1：簡(jiǎn)化的示例，顯示了在不同測(cè)試系統(tǒng)上獲得的可比數(shù)據(jù)的難度
由于難以測(cè)量所有寄生蟲，并將它們的影響與獲得的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，因此我們必須研究另一種實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方法。
獲得可比結(jié)果的第二種方法是保持DPT寄生蟲恒定，因此需要標(biāo)準(zhǔn)DPT系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)計(jì)良好且易于使用的DPT系統(tǒng)將潛在的人為錯(cuò)誤降至，所有寄生蟲和其他影響因素仍然相對(duì)穩(wěn)定。使用這樣的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)獲得多個(gè)設(shè)備的設(shè)備參數(shù)清楚，可以使供應(yīng)商之間的設(shè)備更加容易。
必須解決幾個(gè)問(wèn)題以保持寄生蟲的穩(wěn)定，同時(shí)提供一個(gè)可靠且靈活的系統(tǒng)。在考慮DUT接口和柵極驅(qū)動(dòng)程序連接時(shí)，將它們焊接在PCB上是可靠的方法。但是，工程師失去了靈活性。如果工程師想更改DUT或門電阻，則有必要將舊部分和焊料固定在新部分中。經(jīng)過(guò)幾次設(shè)備更改后，PCB可能會(huì)損壞，并且獲得的測(cè)量結(jié)果不再可比。具有緊密插座類型連接器的特殊設(shè)計(jì)的DUT接口板使工程師無(wú)需焊接即可輕松更換晶體管（例如TO247軟件包）。因此，一個(gè)DUT板可用于數(shù)千個(gè)插入（圖5）。
標(biāo)準(zhǔn)TO247測(cè)試板，以提高設(shè)備和門驅(qū)動(dòng)器更改的靈活性
獲得門驅(qū)動(dòng)器靈活性的一種簡(jiǎn)單方法是擁有一個(gè)可單獨(dú)的可交換板（具有不同的值），可以將其插入同一DUT板。柵極駕駛員板允許與DUT板的重復(fù)且一致的連接。
不同門電阻器的理想情況是擁有一個(gè)帶有可切換電阻器或可變電阻器的門駕駛員板。門環(huán)中引入開(kāi)關(guān)會(huì)增加寄生門電感，因此不是。具有可變的整孔電阻的情況也是如此，因?yàn)榧纳姼羞h(yuǎn)高于表面載體電阻。此外，其處理太容易出錯(cuò)，因?yàn)榭梢暂p松混合電阻器，從而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果文檔故障。正確維護(hù)小且恒定的門和電源循環(huán)的實(shí)用方法是擁有具有可變標(biāo)準(zhǔn)的門駕駛員板的標(biāo)準(zhǔn)DUT板設(shè)計(jì)。這有助于在多個(gè)系統(tǒng)之間創(chuàng)建可比的結(jié)果。
從DC-LINK電容器銀行到DUT，將寄生電感降至，LDCLINK1和LDCLINK2需要權(quán)衡。散裝電容器很大，并且不可行，可以安裝在DUT板上。將它們放在單獨(dú)的主電容器板上，以使不同的DUT板（TO247-4，D2PAK-7等）更加靈活。但是，這增加了LDCLINK1和LDCLINK2。取而代之的是，每個(gè)DUT測(cè)試板都包括解耦電容器，以使電源循環(huán)盡可能小而不會(huì)失去靈活性。精心設(shè)計(jì)的解耦電容器值地減少了較大的LDClink值的影響。
在使柵極和功率回路常數(shù)中寄生電感后，剩下的影響因素是主要電感器本身。關(guān)于電感器有多種因素需要考慮。
電感器的布局或設(shè)計(jì)顯然會(huì)影響其直流電阻和寄生能力。建議為每個(gè)系統(tǒng)使用相同的設(shè)計(jì)來(lái)創(chuàng)建可比的結(jié)果。
電感器周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。系統(tǒng)中電感器位置的變化可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)被誘導(dǎo)的磁場(chǎng)的不同影響。因此，重要的是要有固定的電感器位置。
電感器的電纜長(zhǎng)度和電纜定位也增加了寄生蟲。更長(zhǎng)的電纜通常會(huì)導(dǎo)致更高的寄生蟲。因此，可靠的系統(tǒng)需要電感器的固定定位和連接。優(yōu)選地，用戶不必執(zhí)行任何更改即可在不同電感器值之間以及正常DPT或反向恢復(fù)測(cè)試之間切換。這樣，可以實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)上測(cè)量之間的可比性。
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