電源模塊相關信號的探測要求

為了獲得高質量的表征，需要動態(tài)表征寬帶隙 （WBG） 晶體管。與分立器件相比，在雙脈沖測試系統(tǒng)中測試電源模塊需要測量低側和高側信號。由于高電壓和快速開關，這給隔離和共模 （CM） 抑制帶來了新的挑戰(zhàn)。本文概述了每個相關信號的探測要求。

動態(tài)功率器件分析儀，例如雙脈沖測試系統(tǒng)，用于測量功率晶體管或二極管的動態(tài)特性。在這樣的系統(tǒng)中，需要用示波器測量 V DS、V GS、I D和 I G，如圖 1 所示。對于分立器件，可以通過將被測器件 （DUT） 放置在半橋的低端來簡化測量要求。這引入了相對較低的 CM 信號。I D可以用高帶寬分流器直接測量。

與分立器件相比，電源模塊通常包含至少一個半橋。它不是對稱構建的，這導致低端和高端的動態(tài)行為不同。這使得還需要動態(tài)測量低側和高側的V DS、 V GS（和 I D、 I G ）。

圖 1. 帶有探測信號的雙脈沖測試示意圖。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

可以在開關節(jié)點處施加接地電位而不是低端晶體管的源極電位，因此對高端測量的要求與對低端測量的要求相對應。然而，同時測量兩個階段是有利的。因此，本文不討論這種替代方法。

測量高邊信號比測量低邊信號更難。在下一節(jié)中，將比較需求。

探測要求概述

這些要求針對的是在最大 80% 的額定電壓 （1.36 kV） 下測試的 1.7 kV SiC 模塊，測試電流高達 1000 A。

帶寬

轉換時間為 8 ns 的晶體管需要 90 MHz 的帶寬 （BW）。對于典型環(huán)路電感為 30 nH 和輸出電容為 60 pF 的振鈴測量，所需的帶寬為 120 MHz。所需的 BW 不包括用于電流測量的 Rogowski 線圈和 Pearson 探頭。

隔離

低端測量的隔離要求不是很嚴格。分流器通常處于地電位。因此，在測量 4 引腳晶體管時，在開關操作期間，開爾文檢測引腳和源極引腳之間會出現(xiàn)電壓尖峰。V DS和 V GS是根據(jù) Kelvin sense 測量的，這需要一些隔離。電壓尖峰通常在 10 V 至 50 V 范圍內，可以根據(jù)源電感 L S 和電流壓擺率 didtdidt 計算：

V=LS?didtV=LS?didt高端測量的隔離要求要嚴格得多。在測試期間，高端信號可能接近地電位，但也可能處于電源電壓。因此，在本例中，隔離要求至少為 1.36 kV。對于振鈴，30% 的余量是合適的。這導致所有高側測量的絕緣要求為 1.8 kV。更高的測試電壓需要更高的值。

共模范圍

共模 （CM） 要求類似于隔離要求。對于低側信號，CM 瞬態(tài)通常在 10 V 至 50 V 范圍內。就CM范圍而言，高邊信號可分為兩組。第一組由V DS和ID組成。對于這些信號，要求并不高，因為這些信號可以參考高邊晶體管的漏極電位來測量。設計良好的系統(tǒng)具有大容量電容，使電源電壓非常穩(wěn)定。微小的變化，如 5 %（本例中為 68 V）的電源電壓在脈沖期間非常緩慢地發(fā)生（例如在 50 μs 內）。

第二組高端信號是柵極信號。這些信號以高邊晶體管的開爾文檢測或源極引腳為參考。這些引腳位于開關節(jié)點，因此電壓變化與電源電壓大致相同。過渡時間內的變化非?？?，例如10 ns內達到1.36 kV，這在測量質量方面是一個重大挑戰(zhàn)。

共模抑制比

對于電壓測量，應測量差分電壓。然而，CM 信號也會導致干擾測量信號。對于不同的 CM 抑制比，可以很容易地計算出由 CM 信號引起的無用電壓，參見表 1。需要注意的是，探頭的 CMRR 很大程度上取決于頻率。一般而言，共模抑制比 （CMRR） 會隨頻率降低。

表 1. 多個 CMRR 的 CM 信號測量電壓。

探頭的 CMRR 在引入 CM 的頻率范圍內必須足夠高。

如前所述，低端信號的 CM 電壓很?。ɡ?50 V）并且僅在開關轉換時出現(xiàn)。對于帶分流器的低壓側測量，不引入 CM。對于其他信號，CM 測量的影響理想地小于測量系統(tǒng)的有效分辨率。對于門信號，典型測量范圍為 40 V，目標值為 10 位，分辨率為 39 mV。該表顯示大約 60 dB 就足夠了。對于測量的信號，因此范圍要大得多，例如。例如，1.8 kV，導致分辨率為 1.76 V。30 dB 的 CMRR 就足夠了。對于兩個低端信號，CM 信號都具有高頻分量，這使得必須在大頻譜上具有高 CMRR。

對于高端信號，情況再次變得更加復雜。對于第一組可參考漏極電位的信號，CM 信號較小。對于 V DS而言，40 dB 的 CMRR 就足夠了。I D通常僅導致示波器測量的電壓非常小，約為 500 mV 至 5 V。因此，CMRR 要求更為嚴格。使用與之前相同的有效位數(shù) （ENOB） 會導致 100 dB 的 CMRR 要求。請注意，對于 V DS和 I D，CMRR 要求僅適用于較低頻率，例如 1 MHz。

就 CMRR 而言，高端柵極信號通常是最難測量的。在這種情況下，CM 是帶有高頻分量的電源電壓，測量范圍通常只有 40 V。這導致分辨率為 36.5 mV，因此 》90 dB 是寬頻率范圍的理想選擇。

請注意，高于上述的 CMRR 不會導致更高的測量精度。

噪音

噪聲性能是大多數(shù)商用高 CMRR 探頭的弱點。一般來說，噪音越低越好。對于 I D測量尤其如此，因為測量的電壓非常小。分流值應選擇盡可能小，以盡量減少電路影響，但由于噪聲存在下限。個位數(shù)的 mV rms 值很好。對于 V DS，噪聲不是問題，因為可以使用常見的高壓差分探頭，并且噪聲要求很低。柵極信號通常介于兩者之間，典型測量范圍為 40 V。一個重要參數(shù)是 10 % 柵極電壓時間和 20 VV GS，必須能夠非常準確地測量 2 V。噪聲必須遠小于測量電壓，因此 《30 mV rms 是理想的。商用高 CMRR 探頭在這樣的范圍內引入了大約 200 mV rms 的噪聲，這使得找到正確的時序變得困難。圖 2 比較了商用高 CMRR 探頭和低噪聲高 CMRR 解決方案之間的噪聲性能。

表 2. 探頭要求總結。

探頭負載

電容探頭負載必須非常小，以使測量信號不會受到顯著影響。典型的 SiC 晶體管的輸入電容在個位數(shù) nF 范圍內，輸出電容約為 100 pF。因此，V DS （個位數(shù) pF）的負載要求比 VGS （兩位數(shù) pF 可以接受） 更嚴格。

圖 2. 商用探頭（黃色）和真脈沖隔離探頭解決方案（藍色）的噪聲比較。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

表 2 顯示了測量 1.7 kV SiC 模塊的探頭要求。

結論

高邊探測為動態(tài)功率器件分析儀帶來了新問題。是信號中問題最少的，因為可以通過 Keysight DP0001A 等高端高壓差分探頭滿足要求。由于噪聲要求非常嚴格，因此不能使用此探頭。商用 Rogowski 線圈或 Pearson 探頭不滿足 BW 要求。商用探頭無法滿足對柵極信號的嚴格要求，例如大頻率范圍內的高 CMRR 要求和嚴格的噪聲要求。Keysight PD1550A 引入了真正的脈沖隔離探頭解決方案，可滿足低噪聲和高 CMRR 要求，同時保持隔離和帶寬要求?！?/p>