在當(dāng)今的電力電子領(lǐng)域，功率變換器作為電能利用的關(guān)鍵裝置，其性能在很大程度上取決于的功率半導(dǎo)體器件。常見的功率半導(dǎo)體器件類型包括 MOSFET、IGBT 和二極管等。傳統(tǒng)的 Si 器件由于已經(jīng)逼近材料的物理極限，逐漸成為進(jìn)一步提升功率變換器效率和功率密度的瓶頸。而 SiC 器件憑借其顯著的優(yōu)勢，如更高的開關(guān)速度、在高結(jié)溫下能夠同時承受高壓和大電流等特性，可顯著提升轉(zhuǎn)換效率、功率密度并降低系統(tǒng)成本，特別適用于車載逆變器、電動汽車充電樁、光伏、UPS、儲能及工業(yè)電源等場景。目前，國內(nèi)外 SiC 產(chǎn)業(yè)鏈正加速成熟，主流廠商已推出多款 SiC 產(chǎn)品，成本持續(xù)下降，其應(yīng)用正呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長的態(tài)勢。
圖 1：雙脈沖測試電路示意（以 SiC MOSFET 為例）
功率半導(dǎo)體動態(tài)參數(shù)測試（雙脈沖測試）是功率半導(dǎo)體研發(fā)與應(yīng)用中的評估工具。它不僅能夠提供關(guān)鍵的動態(tài)參數(shù)，還能通過模擬實際工況，揭示器件的潛在風(fēng)險，并為器件的優(yōu)化提供明確的方向。以 SiC 和 GaN 為代表的第三代半導(dǎo)體的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，給新能源汽車行業(yè)、電源行業(yè)等帶來了顛覆性的變化，但同時也給設(shè)計工程師帶來了巨大的測試挑戰(zhàn)。工程師需要了解功率器件的動態(tài)特性，以確保選用的高速功率器件能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行在自己的產(chǎn)品中。針對這些挑戰(zhàn)，RIGOL 提供了的功率半導(dǎo)體動態(tài)參數(shù)測試解決方案，旨在助力工程師實現(xiàn)高效評估與優(yōu)化器件性能。
- 測量關(guān)鍵動態(tài)參數(shù)：測量開關(guān)損耗、開關(guān)時間、反向恢復(fù)特性等動態(tài)參數(shù)，這些參數(shù)對于優(yōu)化系統(tǒng)效率、評估器件響應(yīng)速度以及判斷其在換流過程中的安全裕量至關(guān)重要。
- 驗證驅(qū)動電路設(shè)計：評估柵極驅(qū)動電阻的合理性，通過優(yōu)化驅(qū)動信號的上升 / 下降斜率來減少開關(guān)震蕩。同時，測試驅(qū)動芯片的保護(hù)功能是否有效。
- 對比器件性能：在不同的電壓、電流、溫度條件下進(jìn)行測試，對比不同材料（如 Si IGBT 和 SiC MOSFET）或不同廠商器件的性能差異，為器件選型決策提供支持。
- 分析寄生參數(shù)影響：深入研究寄生參數(shù)對器件性能的影響，有助于優(yōu)化電路設(shè)計。
- 評估極端工況下的可靠性：模擬極端工況，評估器件在惡劣條件下的可靠性，確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性。
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。在測試過程中，向 QL 發(fā)送雙脈沖驅(qū)動信號，即可獲得 QL 在指定電壓和電流下的開關(guān)特性。實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)行脈沖測試時需要選擇與實際變換器相同的形式和器件。對于 MOS - MOS 形式，只需將二極管 VDH 換成 SiC MOSFET QH，并在測試中一直施加關(guān)斷信號。在測試二極管反向恢復(fù)特性時，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。在整個測試中，QL 進(jìn)行了兩次開通和關(guān)斷，形成了兩個脈沖，測量并保留 QL 的 VGS、VDS、IDS 波形，就可以對其次關(guān)斷和第二次開通時的動態(tài)特性進(jìn)行分析和評估。
圖 2：測試二極管反向恢復(fù)特性示意
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)、下降時間 tf、關(guān)斷時間 toff、關(guān)斷能量損耗 Eoff、開通延遲 td (on)、上升時間 tr、開通時間 ton、開通能量損耗 Eon、反向恢復(fù)時間 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。
雙脈沖測試平臺的結(jié)構(gòu)如下：
- DG5000 Pro 系列函數(shù) / 任意波形發(fā)生器：產(chǎn)生雙脈沖驅(qū)動信號。
- PIA1000 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。
- MHO5106 高分辨率數(shù)字示波器：捕獲電壓電流波形并進(jìn)行計算。
圖 3：測試平臺結(jié)構(gòu)示意
- 高可靠性與可重復(fù)性：提供高可靠性與可重復(fù)性的測試能力，覆蓋 IGBT 與 MOSFET 器件（包括 SiC、GaN 等第三代半導(dǎo)體）的關(guān)鍵動態(tài)特性評估。
- 全面的動態(tài)參數(shù)測量：支持全面的動態(tài)參數(shù)測量，包括開通 / 關(guān)斷特性、開關(guān)瞬態(tài)過程、反向恢復(fù)特性、柵極驅(qū)動及開關(guān)損耗等參數(shù)。
- 定制化夾具：支持客戶定制化夾具，能夠靈活適配多種器件封裝與測試場景。
- 高性能示波器及探頭：搭配 RIGOL 高性能示波器及配套探頭，通過時間延遲補(bǔ)償功能與專用開關(guān)損耗算法，顯著提升測試可靠性。
- 光隔離探頭：配置光隔離探頭（可達(dá) 180dB 共模抑制比），可精準(zhǔn)捕獲高速驅(qū)動信號的真實波形，確保信號完整性分析的可靠性。
應(yīng)用優(yōu)勢：能夠同步捕獲開關(guān)管 Vgs、Vds、Id，陪測管柵極串?dāng)_ Vds、Id 等多路信號，支持長時間波形記錄與高精度觸發(fā)。
產(chǎn)品特點：具有 6/8 通道、1GHz 帶寬、4GSa/s 采樣率和 500Mpts 存儲深度。同時，用戶還可以分享與 RIGOL 的故事，并參與強(qiáng)勢新品 MHO/DHO5000 系列高分辨率數(shù)字示波器試用，有機(jī)會贏取 RIGOL 定制漁夫帽。
圖 4：RIGOL DHO/MHO5000 系列示波器應(yīng)用示意
應(yīng)用優(yōu)勢：能夠消除地環(huán)路干擾，精準(zhǔn)測量浮地小信號（如上管 Vgs，上管串?dāng)_，以及柵極電壓信號）。
產(chǎn)品特點： 1GHz 帶寬，共模抑制比可達(dá) 180dB，多個可選差模電壓范圍，可達(dá) ±2500V，探頭響應(yīng)快，上電即測，直流增益精度優(yōu)于 1%。
圖 5：RIGOL PIA1000 系列光隔離探頭應(yīng)用示意
應(yīng)用優(yōu)勢：獨特的 UI 設(shè)計，方便快捷地生成任意脈寬的多脈沖信號。
產(chǎn)品特點：支持單通道任意脈寬的多脈沖輸出以及雙通道帶有死區(qū)時間控制的多脈沖輸出，500MHz 輸出頻率，2/4/8 通道，2.5GSa/s 采樣率，16 bit 垂直分辨率。
一直以來，普源精電專注于電子設(shè)計、測試、生產(chǎn)、優(yōu)化，提供滿足客戶需求的廣泛解決方案及產(chǎn)品組合。通過強(qiáng)化在硬件、算法及軟件方面的技術(shù)實力，緊密對接客戶需求和市場動態(tài)，持續(xù)探索提升產(chǎn)品應(yīng)用的行業(yè)覆蓋性。未來，公司將進(jìn)一步聚焦客戶應(yīng)用，圍繞通信、新能源、半導(dǎo)體等前沿科技賽道，加強(qiáng)高端產(chǎn)品和解決方案的部署，形成從技術(shù)到產(chǎn)品、從時域到頻域、從通信到新能源半導(dǎo)體的全方位解決能力，為客戶解決測試挑戰(zhàn)和創(chuàng)造價值。
圖 6：功率半導(dǎo)體動態(tài)性能測試重點產(chǎn)品展示
綜上所述，RIGOL 的功率半導(dǎo)體動態(tài)性能測試解決方案憑借其的設(shè)計、先進(jìn)的技術(shù)和豐富的功能，為功率半導(dǎo)體的研發(fā)和應(yīng)用提供了有力的支持，有助于推動電力電子行業(yè)的發(fā)展。
圖 7：RIGOL 產(chǎn)品助力行業(yè)發(fā)展示意
