功率器件双脉冲测试分析

引言

在汽车和工业应用中，由于硅基半导体性能的局限性，功率电子中使用的半导体材料正逐渐从硅过渡到如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）这类宽禁带半导体。GaN 和SiC 支持更小、更快、更高效的设计。规制和经济压力持续促使高压功率电子设计的效率提高。在空间受限和/ 或移动应用（例如电动汽车）中，更小、更轻的设计的功率密度优势尤为明显，而从系统成本降低的角度来看，更紧凑的功率电子设备也普遍受到青睐。同时，随着政府推出财政激励措施和更严格的能效规定，效率的重要性日益增长。例如，欧盟的Eco-design 指令、美国能源部2016 年效率标准、中国质量认证中心（CQC）标志等全球实体发布的指南，都在管理电气产品和设备的能效要求。从电力生成到消耗的各个阶段，功率电子都需要实现更高的能效，如图1 所示。功率转换器在生成、传输和消耗链的多个阶段运作，由于这些操作没有一个是100% 高效的，因此每一步都会有一些功率损失。主要由于热能损失，这些效率的整体下降在整个周期中不断加剧。

2001 SPECIFIED CALIBRATION INTERVALS

图1：在生成、传输和消耗阶段的功率损失

为什么要进行双脉冲测试？

在以前甚至是今天，许多使用IGBT或者MOSFET做逆变器的工程师是不做双脉冲实验的，而是直接在标定的工况下跑看能否达到设计的功率。这样的测试确实很必要，但是往往这样看不出具体的开关损耗，电压或者电流的尖峰情况，以及寄生导通情况。这会导致对有些风险的认识出现盲点，进而影响最后产品未来的长期可靠性。又或者设计裕量过大带来成本增加，使得产品的市场竞争力下降。如果能在设计研发阶段，精准地了解器件的开关性能，将对整个产品的优化带来极大的好处。比如能在不同的电压、电流和温度下获得开关损耗，给系统仿真提供可靠的数据；又比如可以通过观察波形振荡情况来选择合适的门极电阻。

双脉冲测试原理

顾名思义，双脉冲测试就是给被测器件两个脉冲作为驱动控制信号，如图2所示。第一个脉冲相对较宽，以获得一定的电流。同时第一个脉冲的下降沿作为关断过程的观测时刻，而第二个脉冲的上升沿则作为开通过程的观测时刻。

图2：双脉冲信号示意图

考虑到可能的电场干扰，最佳的双脉冲平台是全桥结构的，如图3所示。3管的门极给15V常开信号，4管则是处于常关，2管作为被测器件给予双脉冲信号。1管主要作用于续流，所以门极可以是常关信号，或者在使用MOS管时门极用同步整流信号。第1个脉冲来临时，电流经过3管和负载电感进入2管。为了得到一个期望的电流值，此脉冲需持续一定时长，时长可通过T=I*L/V来获得，其中L是负载电感值，I是期望电流，V是母线电压。当然实际中可以直接用示波器观察电流值来调整脉宽。

第一个脉冲结束时，2管关断，表现出器件的关断波形。此后，电流在3管、负载和1管中续流。当第2个脉冲到来时，2管开通，1管上的电流重新流入2管，这时可测量1管的反向恢复特性及2管的开通特性。其中电流的获取在小功率时可以采用电流检测电阻，而大电流时一般使用磁性电流检测器，比如罗氏线圈或者Pearson磁环。