通過考慮測量科學(xué)和技術(shù)來測量 DPT 設(shè)置中的開關(guān)波形、V GS、V DS和 I D，您可以對結(jié)果的可重復(fù)性和可靠性產(chǎn)生積極影響。在討論具體測量之前，讓我們先分析一下基本的 DPT 設(shè)置（圖 1）。

　　圖 1 獲得可重復(fù)、可靠的雙脈沖測試結(jié)果的挑戰(zhàn)
　　圖 1：基本雙脈沖測試設(shè)置
　　我們在 4 月文章中的圖表中添加了更多細節(jié)，以強調(diào)幾個重要注意事項。所有測量儀器均以地面為參考。使用傳統(tǒng)探頭時，示波器輸入為單端，接地引線基本上處于地面電位。對于許多電源，+ 和 - 端子從地面“浮動”到指定的限值（即，地面和輸出端子之間的最大電壓為 500V）。這種與地面的隔離可以建模為這些儀器的隔離阻抗 (Z i )。同樣，許多波形/函數(shù)發(fā)生器與地面隔離，通常為 ± 42V。為什么這很重要？
　　共模效應(yīng)
　　理想情況下，我們假設(shè) DPT 設(shè)置中的接地電位相同，并且接地中沒有電流流動。實際情況是，接地接觸點之間存在電位差，這被稱為共模電壓（圖 1 中的 V cm）。共模電壓會感應(yīng)共?！罢`差”電流，從而影響我們的測量儀器（即示波器）。即使是隔離儀器（例如高壓電源）也會通過 Z i提供共模電流返回路徑，尤其是當(dāng)我們考慮設(shè)置中的更高頻率能量切換時。因此，需要在 DPT 設(shè)置中解決共模電流問題。
　　典型的 DPT 設(shè)置使用高壓電源為直流鏈路電容器充電，以提供完成 DPT 單個實例所需的能量。為了消除潛在的共模電流，在執(zhí)行 DPT 測試之前，應(yīng)使用開關(guān)（圖 1）將電源與 DPT 設(shè)置斷開。該技術(shù)解決了電源共模耦合的問題。同樣，波形發(fā)生器通常在柵極驅(qū)動器中隔離，從而消除了任何共模耦合的可能性。
　　示波器則是一個不同的挑戰(zhàn)。它是測量 DPT 波形的儀器。如果沒有差分或隔離探頭，傳統(tǒng)示波器探頭從測量點到返回路徑將很長，這使其容易受到共模噪聲的影響。如果沒有隔離/差分探頭，進行 V GS、 V DS和 I D測量也存在挑戰(zhàn)。
　　首先，大多數(shù) DPT 設(shè)置測試低壓側(cè)設(shè)備（即圖 1 中的 DUT），以避免在測試高壓側(cè)設(shè)備時出現(xiàn)較大的共模電壓。此外，如果使用分流器進行 I D測量，可以將電壓探頭測量分流器，方法是將接地引線放置在用于 V GS和 V DS測量的接地引線連接的同一節(jié)點。這將 DUT“源”端子確立為設(shè)置中的接地參考點，從而可以在沒有隔離或差分探頭的情況下進行這三個測量。然后，訣竅是反轉(zhuǎn)分流器上測量的電壓的極性以確定 I D。
　　我們?nèi)匀幻媾R共模電流流過示波器探頭的問題，無論是在中心導(dǎo)體還是屏蔽層中。為了盡量減少這種誤差，探頭被繞在鐵磁芯或共模扼流圈上（圖 2）。由于探頭中心導(dǎo)體和屏蔽層中的共模電流流向相同方向，因此磁芯中的相關(guān)磁通量會疊加在一起。這實際上會為共模電流產(chǎn)生更大的反磁場。而對于差分（所需）模式電流，磁芯中的磁通量會抵消，從而消除反磁場，因此允許差分信號通過探頭傳輸?shù)绞静ㄆ鳌?br>　　對 DPT 設(shè)置有了一些基本的了解后，讓我們來看看一些具體的測量。
　　VDS 測量

　　測量 V DS的一個主要挑戰(zhàn)是需要在“ON”和“OFF”狀態(tài)下測量較大的動態(tài)范圍。在“ON”狀態(tài)下，DUT 處于導(dǎo)通狀態(tài)，漏極到源極的電壓降很小（1V - ~10V）。進行精確測量至關(guān)重要，因為 R DS (on)是通過將 V DS測量值除以相應(yīng)的 I D測量值計算得出的。在“OFF”狀態(tài)下，DUT 阻斷為測試選擇的工作電壓 (> 1000V)。由于測量值之間存在 2-3 個數(shù)量級的差異，因此需要比示波器提供的大得多的動態(tài)范圍。

　　圖 3 獲得可重復(fù)、可靠的雙脈沖測試結(jié)果的挑戰(zhàn)
　　圖 3：簡化的 V DS鉗位電路和圖形
　　為了測量 DUT 關(guān)閉時的 V DS，我們根據(jù)所選的工作電壓使用適當(dāng)?shù)母邏禾筋^，這將衰減示波器范圍內(nèi)的信號。為了測量 DUT 打開時的 V DS，我們希望使用標準的 10:1 探頭來獲得盡可能準確的測量結(jié)果。我們使用鉗位電路來實現(xiàn)這一點。鉗位電路的目的是限制 DUT 關(guān)閉時施加到示波器的電壓，這樣就不會損壞示波器。但是當(dāng) DUT 打開時，允許信號通過，測量低 V DS電壓。簡化的原理圖和圖表說明了鉗位電路的功能（圖 3）。
　　當(dāng) V IN小于 V CLAMP – VTH時，V IN和 V OUT之間存在線性 1:1 關(guān)系。當(dāng) V IN達到 V CLAMP – VTH時，F(xiàn)ET 關(guān)閉并有效地將 V OUT鉗位到略低于 V CLAMP電壓，而不管 V IN的值是多少。您需要做的就是選擇一個高于預(yù)期 V DS(on)值且低于示波器最大輸入電壓的鉗位電壓。結(jié)果是當(dāng) DUT 開啟時精確測量 V DS(on) ，當(dāng) V IN大于 V CLAMP時鉗位電壓。
　　內(nèi)徑測量
　　一般而言，對于 DPT 設(shè)置，電流測量比電壓測量更困難。主要限制因素之一是帶寬。正如我們 4 月份的文章中提到的，DPT 信號的頻率內(nèi)容急劇增加，需要越來越高的帶寬測量。大多數(shù)電流傳感器帶寬通常低于更快 DPT 測量所需的帶寬。羅氏線圈是頗具吸引力的電流傳感器，因為它們價格便宜、相對容易設(shè)置，并使用導(dǎo)體中變化的磁場來測量電流。但是，它們確實需要將傳感器環(huán)路連接到要測量的導(dǎo)體周圍。這在某些設(shè)置中是不可行的。此外，它們的帶寬有限（約 30 MHz），也不能測量直流電流。幾百 MHz 的帶寬對于測量更快功率半導(dǎo)體的電流非常重要?！　‰娏鞣至髌魇菧y量電流的另一種方法。電流流過“已知”的精密分流電阻，產(chǎn)生可測量的電壓，隨后用于計算電流。電流分流器需要斷開電流路徑才能將其插入目標電路。具有低阻抗很重要，以最大限度地減少分流器對電路的影響。一些市售分流器的帶寬指定為 100 MHz。我們表征了幾個分流器（相同型號和規(guī)格）的 S21 傳遞函數(shù)，以查看它們的帶寬是否一致（圖 4）。

　　圖 4：同軸分流器的 S21 傳遞函數(shù)
　　這些分流器的 3dB 帶寬范圍為 ~ 25 MHz 至 ~ 280 MHz，性能差異超過一個數(shù)量級！這種差異顯著影響了 DPT 測量中捕獲的波形（圖 5）。與 280 MHz 分流器相比，您會注意到 25 MHz 分流器的 ID 過沖更多，從而扭曲了最終用于積分 e(ON) 的功率波形。這種失真是分流器而不是功率器件的產(chǎn)物。因此，25 MHz 分流器最終會導(dǎo)致從失真波形中提取更大且不正確的 e(ON)。
　　信號偏移　　如果不提及信號偏差，我們就無法討論動態(tài)測試的測量挑戰(zhàn)。由于 DPT 波形具有高頻和尖銳的邊緣轉(zhuǎn)換，因此必須認識到從每個示波器探頭到每個測量點都有不同的信號路徑。這些不同的路徑會影響每個信號的傳播，從而導(dǎo)致信號偏差（圖 6）。根據(jù)哪個信號（VDS 或 ID）延遲，e(ON) 和 e(OFF) 計算可能會低估或高估由此產(chǎn)生的開關(guān)損耗。

　　圖 5：BW 對電流分流測量的影響

　　圖 6 獲得可重復(fù)、可靠的雙脈沖測試結(jié)果的挑戰(zhàn)
　　圖 6：在 DPT 夾具上測量的示波器輸入中的時間偏差
　　結(jié)論
　　Keysight PD1500A 動態(tài)功率器件分析儀/雙脈沖測試儀就是為解決這些測量難題而開發(fā)的。除了支持共模建議和模塊化鉗位電路外，我們還開發(fā)并實施了補償技術(shù)來解決我們提出的其他問題。具體來說，我們有一個軟件引導(dǎo)程序來調(diào)整示波器和探頭，以消除 DPT 夾具上的信號偏差。
　　此外，我們在工廠中通過測量高達 400 MHz 的 S21 傳輸特性來表征我們系統(tǒng)中使用的每個分流電阻器。然后，我們補償該特定分流器的特性，從本質(zhì)上平坦頻率響應(yīng)并消除低帶寬分流器的失真。與許多 Keysight 解決方案一樣，我們提供自動校準程序。此軟件引導(dǎo)程序使用具有 100 nV 分辨率的精確源測量單元 (SMU) 作為內(nèi)部系統(tǒng)參考。
　　將每個示波器通道/探頭對范圍內(nèi)的測量點與相應(yīng)的 SMU 參考值進行比較。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，確定增益和偏移誤差并在系統(tǒng)中進行補償，從而提供更高的精度和更可重復(fù)的結(jié)果。圖 7a 和 7b 說明了使用所述補償技術(shù)時對 DPT 測量結(jié)果的可能影響。我們測量了 DPT 波形并從 SiC MOSFET（1200V，40A）中提取了 e(off)，工作條件相同（800V，30A，Rg=10Ω，室溫），有無補償?！　D 7a 顯示了未進行補償?shù)?DPT 波形和提取結(jié)果。正如我們所料，ID 中的振鈴以及因此產(chǎn)生的功率 (VDS * ID) 在這些波形中更加夸張，這無疑是由于較低的帶寬分流所致。結(jié)合其他潛在信號偏差和自動校準誤差，最終提取的 e(off) 結(jié)果為 218.50 μJ。將其與我們使用補償技術(shù)的圖 7b 進行比較。振鈴減少，提取的 e(off) 結(jié)果為 296.60 μJ。對于此設(shè)備的 e(off)，PD1500A 測量技術(shù)消除了僅由不正確的測量科學(xué)造成的 26% 的誤差！

　　圖 7a 獲得可重復(fù)、可靠的雙脈沖測試結(jié)果的挑戰(zhàn)
　　圖 7a：E(off) 波形和無補償提取
　　圖 7b 獲得可重復(fù)、可靠的雙脈沖測試結(jié)果的挑戰(zhàn)
　　圖 7b：E(off) 波形和帶補償?shù)奶崛?br>　　Keysight 設(shè)計了 ??PD1500A 動態(tài)功率器件分析儀，作為您信賴的 B1505A/B1506A 功率器件分析儀的補充動態(tài)特性分析解決方案。我們專注于為基于 Si/SiC 的分立功率半導(dǎo)體提供可重復(fù)且可靠的動態(tài) DPT 測量。我們將繼續(xù)在 DPT 解決方案的先進測量技術(shù)方面進行研發(fā)投資。敬請期待專注于分立 GaN 和 Si/SiC 功率模塊的新解決方案。