功率變換器是電能利用的重要裝置，在生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著重要作用。功率變換器的核心是功率半導(dǎo)體器件，很大程度上決定了功率變換器的性能。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)形成了覆蓋幾伏到幾千伏、幾安到幾千安的龐大家族，常用的功率半導(dǎo)體器件類型包括MOSFET、IGBT、二極管等。

大部分功率器件是基于Si半導(dǎo)體材料的，其特性已接近理論極限，成為功率變換器發(fā)展的瓶頸。與Si功率器件相比，SiC功率器件具有更高的開關(guān)速度、能夠工作在更高的結(jié)溫下、可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高電壓和大電流。這些特性能夠顯著提升功率變換器的性能，獲得更高的電能轉(zhuǎn)換效率、實(shí)現(xiàn)更高的功率密度、降低系統(tǒng)成本。SiC功率器件適合應(yīng)用于汽車牽引逆變器、電動汽車車載充電機(jī)、電動汽車充電樁、光伏、不間斷電源系統(tǒng)、能源儲存以及工業(yè)電源等領(lǐng)域。目前、國內(nèi)外SiC產(chǎn)業(yè)鏈逐漸成熟，主流功率半導(dǎo)體器件廠商都已經(jīng)推出了SiC功率器件產(chǎn)品，成本也不斷下降，SiC功率器件的應(yīng)用正處于爆發(fā)式增長中。

測試需求

功率半導(dǎo)體動態(tài)參數(shù)測試（以半橋電路為基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)展出了一套完善的開關(guān)管開關(guān)特性評估方法，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(shí)際工況揭示器件的潛在風(fēng)險(xiǎn)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(jì)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(yùn)行在自己的產(chǎn)品中，需要了解功率器件的動態(tài)特性。

測試目的

1、測量關(guān)鍵動態(tài)參數(shù)。測量開關(guān)損耗、開關(guān)時(shí)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。

2、驗(yàn)證驅(qū)動電路設(shè)計(jì)。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。

3、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。

4、分析寄生參數(shù)影響。

5、評估極端工況下的可靠性。

測試原理

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(shí)際功率變換器的換流模式有MOS-二極管和MOS-MOS兩種形式，進(jìn)行脈沖測試時(shí)需要選擇與實(shí)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(shí)，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(gè)測試中，QL進(jìn)行了兩次開通和關(guān)斷，形成了兩個(gè)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(shí)動態(tài)特性進(jìn)行分析和評估了。

典型應(yīng)用場景

1、電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)：驗(yàn)證逆變器中IGBT/SiC模塊的開關(guān)損耗和熱穩(wěn)定性。

2、可再生能源：測試光伏逆變器和儲能變流器（PCS）的功率器件在高頻開關(guān)下的可靠性。

3、工業(yè)變頻器：評估電機(jī)驅(qū)動電路中器件的動態(tài)響應(yīng)和電壓應(yīng)力。

4、開關(guān)電源：優(yōu)化高頻DC-DC變換器的效率與EMI特性。

測試平臺搭建

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(xiàng)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(shí)間tf、關(guān)斷時(shí)間toff、關(guān)斷能量損耗Eoff、開通延遲td(on)、上升時(shí)間tr、開通時(shí)間ton、開通能量損耗Eon、反向恢復(fù)時(shí)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。

圖3 雙脈沖測試平臺結(jié)構(gòu)

圖4 雙脈沖測試桌面系統(tǒng)

圖5 下降時(shí)間測試Toff

圖6 關(guān)斷損耗Eoff

1、DG5000 Pro產(chǎn)生雙脈沖驅(qū)動信號；

2、光隔離探頭準(zhǔn)確測試開關(guān)管柵極電壓Vgs和陪測管柵極串?dāng)_信號，也可用于測量柵極電荷；

3、MHO5106示波器捕獲電壓電流波形并計(jì)算。

方案特點(diǎn)

1、可靠、可重復(fù)地測試IGBT及MOSFET（包括第三代半導(dǎo)體器件SiC、GaN）功率半導(dǎo)體動態(tài)特性；

2、測量的特性參數(shù)包括開啟、關(guān)斷、開關(guān)切換、反向恢復(fù)、柵極驅(qū)動、開關(guān)損耗等參數(shù)；

3、支持客戶自定義夾具；

4、使用普源示波器和探頭，可準(zhǔn)確補(bǔ)償探頭時(shí)間延遲，專用的開關(guān)損耗算法，提供可靠的測試結(jié)果；

5、獨(dú)特的光隔離探頭，最高1GHz帶寬高達(dá)180dB共模抑制比，準(zhǔn)確測試驅(qū)動信號的真實(shí)情況。

方案配置