功率 MOSFET 特性雙脈沖測(cè)試簡(jiǎn)介

在過去的20年里，我聽到了許多關(guān)于雙脈沖的解釋，有時(shí)甚至很有趣。比如如，“雙脈沖是電四極桿的表征，第一個(gè)脈沖描述輸入，第二個(gè)脈沖描述出。”

01

對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人士來說，不言而喻的事情有時(shí)可能會(huì)給經(jīng)驗(yàn)不足的人帶來誤解。作為測(cè)試設(shè)備制造商，我們意識(shí)到用戶對(duì)雙脈沖測(cè)試有不同的看法。

電力電子組件的開發(fā)需要幾個(gè)步驟。其中之一涉及功率半導(dǎo)體開關(guān)行為的動(dòng)態(tài)特性。為此，使用雙脈沖測(cè)試裝置，其中包括：

1.電容式儲(chǔ)能裝置，也稱為直流母線電容器；

2.待測(cè)功率半導(dǎo)體，至少由一個(gè)開關(guān)和一個(gè)二極管組成，以及；

3.負(fù)載電感器，用作磁傳感器。

02

雙脈沖有什么用？

圖1顯示了可能的雙脈沖設(shè)置的示意圖，圖2中顯示了測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖一

圖二

通過第一個(gè)脈沖，負(fù)載電感被磁化至所需的額定電流，從而關(guān)斷電流提供有關(guān)工作點(diǎn)處關(guān)斷行為的第一個(gè)數(shù)據(jù) (A)。經(jīng)過恢復(fù)時(shí)間（在此期間半導(dǎo)體必須完全斷電）后，它會(huì)再次打開。先前的標(biāo)稱電流在相反的二極管中流動(dòng)（由負(fù)載電感驅(qū)動(dòng)）。當(dāng)再次打開時(shí)，電流換向回到正在測(cè)試的半導(dǎo)體。

這為第二數(shù)據(jù)集 (B) 提供了有關(guān)功率半導(dǎo)體導(dǎo)通行為的所有信息。一旦在標(biāo)稱電流下完全記錄了開啟過程，第二個(gè)脈沖就會(huì)關(guān)閉。然而，所得數(shù)據(jù)不一定令人感興趣。

一般而言，假設(shè)在指定操作點(diǎn)的開關(guān)操作中沒有任何問題的半導(dǎo)體將始終在該操作點(diǎn)中幸存。前提是半導(dǎo)體不會(huì)退化，并且產(chǎn)生的熱量會(huì)持續(xù)消散?？梢酝ㄟ^表征所有可能的工作點(diǎn)并計(jì)算功率損耗（考慮開關(guān)頻率）來計(jì)算所需的冷卻能力。

圖三

03

寄生無源器件

除了負(fù)載電感之外，每根連接電纜還會(huì)向電路中引入更多的電感。不幸的是，這種情況也會(huì)發(fā)生在電感應(yīng)盡可能少或根本沒有電感的區(qū)域。此外，每根電纜都與相鄰導(dǎo)體形成耦合電容。這些寄生無源元件反過來形成諧振電路，快速開關(guān)元件很容易觸發(fā)該諧振電路。

當(dāng)然，組件之間的所有距離都應(yīng)盡可能短。因此，由兩個(gè)半導(dǎo)體和直流母線電容形成的換向電路的電感值可減少至大約10nH。

關(guān)斷后，相應(yīng)的半導(dǎo)體通過建立結(jié)勢(shì)壘而關(guān)斷。結(jié)電容與換相電感形成諧振電路。由此產(chǎn)生的關(guān)斷振蕩可以被認(rèn)為是反向電壓曲線上的重疊。關(guān)斷過程會(huì)中斷換向電感中的電流，導(dǎo)致其產(chǎn)生關(guān)斷過電壓。

根據(jù)設(shè)置，關(guān)斷過壓和關(guān)斷振蕩的重疊可能導(dǎo)致峰值電壓值增加或部分抵消。應(yīng)在最壞情況條件下表征關(guān)斷行為，以防止超過半導(dǎo)體上的最大反向電壓以及相關(guān)的半導(dǎo)體損壞。其中包括使用未來的目標(biāo)布局、最高開關(guān)速度下的預(yù)期結(jié)溫以及最高電流下的關(guān)斷。

經(jīng)驗(yàn)表明，即使在最大值之間的工作點(diǎn)，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)臨界條件。因此，建議對(duì)整個(gè)工作范圍內(nèi)的開關(guān)過程進(jìn)行密切表征。

圖四

正確的順序可以節(jié)省時(shí)間。這里，必須對(duì)半導(dǎo)體表征和電力電子器件表征之間進(jìn)行根本區(qū)別。

04

負(fù)載電流

獲取數(shù)據(jù)最簡(jiǎn)單、最快的方法是修改電流的工作點(diǎn)。關(guān)斷電流與開啟時(shí)間有關(guān)。有兩個(gè)問題需要考慮：

1.載流負(fù)載電感具有直流鏈路電容提供的一定量的能量，直到其關(guān)閉為止。

2.由于傳導(dǎo)損耗，在開啟階段能量損失。因此，關(guān)斷后，直流母線電容不再具有與接通時(shí)相同的電壓值。

要在特定電壓值下關(guān)閉，直流母線電壓必須增加預(yù)期的差值。電流范圍應(yīng)考慮運(yùn)行期間的所有值-特別是短路事件。

兩個(gè)工作點(diǎn)之間的范圍是有爭(zhēng)議的：額定電流范圍內(nèi)有5到10個(gè)工作點(diǎn)是常見的。當(dāng)然，全自動(dòng)測(cè)試臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)更緊密的網(wǎng)格表征。幸運(yùn)的是，將每個(gè)測(cè)量圖保存在光盤上或花費(fèi)大量人力進(jìn)行評(píng)估的日子早已一去不復(fù)返了。

門配置

一些設(shè)置提供了操縱柵極驅(qū)動(dòng)器控制方式的選項(xiàng)。例如，可以自動(dòng)調(diào)整柵極電阻、柵極電流或柵極電壓。由于這些直接影響開關(guān)行為，因此在表征過程中必須考慮這些因素。通常，重新參數(shù)化柵極驅(qū)動(dòng)器只需要幾秒鐘的時(shí)間。因此，建議在每個(gè)工作點(diǎn)之后或在具有相同直流母線電壓的一系列工作點(diǎn)結(jié)束時(shí)在特性描述中包含新參數(shù)。

然而，如果柵極驅(qū)動(dòng)器不是自動(dòng)化的，則應(yīng)在整個(gè)測(cè)量系列結(jié)束時(shí)進(jìn)行手動(dòng)參數(shù)化。由于測(cè)試系統(tǒng)必須在每個(gè)脈沖后斷開電源，并且統(tǒng)計(jì)訪問次數(shù)明顯高于參數(shù)化完整系列時(shí)的訪問次數(shù)，這大大降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)在針對(duì)不同的直流母線電壓重復(fù)整個(gè)電流范圍的表征。建議使用相同的直流母線電壓來表征多個(gè)電流值，以節(jié)省能源和時(shí)間。這避免了直流母線電容器不必要的充電和放電周期。

05

直流母線電壓

半導(dǎo)體表征的電壓范圍限制在零到通常最大允許反向電壓的80%之間。關(guān)斷過電壓絕不能超過允許的最大反向電壓！

例如，在表征電力電子器件時(shí)，可以將表征參數(shù)限制為逆變器的電壓范圍。通常，所有電壓范圍都通過至少5到 10個(gè)中間點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，從而更詳細(xì)的表征可以提供更深入的了解。

接面溫度

結(jié)溫通常是最后要修改的參數(shù)。有幾種不同的方法是可能的。控制溫度的最簡(jiǎn)單方法是使用加熱板，將半導(dǎo)體或散熱器加熱到所需溫度。然而，這種方法只能使結(jié)溫高于室溫。

該過程的延伸是利用液壓溫度控制板進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。原則上，這是一個(gè)充油散熱器。溫度控制裝置控制油的溫度。此設(shè)置允許的溫度范圍為-40°C 至 +200°C。應(yīng)該注意的是，在低于露點(diǎn)的溫度下，被測(cè)設(shè)備 (DUT) 可能會(huì)發(fā)生冷凝和隨后結(jié)冰。反過來，金屬表面會(huì)在高溫下氧化。理想情況下，DUT 應(yīng)在惰性氣體環(huán)境中運(yùn)行。潮濕和無氧的環(huán)境可防止結(jié)冰和氧化。