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作者：泰克科技 SiC 正在被應(yīng)用到功率更高、電壓更高的設(shè)計中，比如電動汽車(EV) 的馬達驅(qū)動器、電動汽車快速充電樁、車載和非車載充電器、風能和太陽能逆變器和工控電源。 功率系統(tǒng)設(shè)計人員在轉(zhuǎn)向SiC 時，會面臨一些問題的挑戰(zhàn)： 測試設(shè)備能否準確地測量 SiC 系統(tǒng)的快速開關(guān)動態(tài)？ 怎樣才能準確地優(yōu)化門驅(qū)動性能和空轉(zhuǎn)時間？ 共模瞬態(tài)信號是否影響測量準確度？ 我看到的振鈴是真的嗎？還是探頭響應(yīng)結(jié)果？ 對工程師來說，解決這些挑戰(zhàn)非常難。還有一點，工程師需要準確地查看所有這些信號，才能及時做出正確的設(shè)計決策。提高設(shè)計裕量和過度設(shè)計，只會推動成本上升，讓性能下降。使用適當?shù)臏y量設(shè)備才是解決問題的關(guān)鍵。 時域測量和開關(guān)損耗計算的準確度，受到用來采集測量數(shù)據(jù)的探頭的準確度、帶寬和時延的影響。盡管這一討論的重點是示波器探頭之間的差異，但具體實現(xiàn)方式( 如布局、寄生信號和耦合) 也在測量準確度中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。需要測量柵極電壓、漏極電壓、電流三個重要參數(shù)，才能正確驗證采用SiC 技術(shù)的功率模塊。 柵極電壓測量 測量SiC 功率器件的柵極電壓極具挑戰(zhàn)性，因為它是一種低壓信號(~20 Vpp)，參考的節(jié)點相對于示波器接地可能會有高DC 偏置和高dv/dt。此外，最大的dv/dt 發(fā)生在開關(guān)事件過程中，這是測量柵極信號時最關(guān)心的時間。即使是器件源極連接到接地的拓撲中，電路接地和示波器接地之間的寄生阻抗仍會由于快速瞬態(tài)信號而導致錯誤讀數(shù)。這要求測量設(shè)備從接地反耦，要有非常大的共模抑制比。這種柵極電壓測量在傳統(tǒng)上采用標準差分探頭（圖1a），而最新的光隔離探頭，如IsoVu 探測系統(tǒng)（圖1b），則可以大大提高這種測量的準確度。 
圖1. （a）差分電壓探頭實例：泰克差分探頭THDP0200 探頭及附件； （b）泰克lsoVu TIVP1 光隔離探頭(TIVPMX10X, ±50 V 傳感器尖端)。 圖2 比較了標準差分探頭與光隔離探頭進行的高側(cè)柵極電壓測量。不管是關(guān)閉還是打開，在器件柵極經(jīng)過閾值區(qū)域后，柵極上都可以看到高頻振鈴。由于柵極和功率環(huán)路之間的耦合，預(yù)計會出現(xiàn)部分振鈴。但是，在差分探頭中，振鈴的幅度明顯要高于光隔離探頭測得的值。這可能是由于參考電壓變化在探頭內(nèi)部引起了共模電流及標準差分探頭的假信號。雖然圖2 中差分探頭測得的波形似乎通過了器件的最大柵極電壓，但光隔離探頭的測量準確度要更高，明確顯示器件位于規(guī)范范圍內(nèi)。
圖2. 差分探頭( 藍色軌跡) 與IsoVu 光隔離探頭( 黃色軌跡) 對比。 使用標準差分探頭進行柵極電壓測量的應(yīng)用工程師要注意，因為其可能區(qū)分不了這里顯示的探頭和測量系統(tǒng)假信號與器件額定值實際違規(guī)。這種測量假信號可能會導致設(shè)計人員提高柵極電阻，降慢開關(guān)瞬態(tài)信號，減少振鈴。但是，這不一定會提高SiC 器件的損耗。為此，使用的測量系統(tǒng)一定要能準確地反映器件的實際動態(tài)，以正確設(shè)計系統(tǒng)，優(yōu)化性能。 漏極電壓測量 在功率電子系統(tǒng)中，差分探頭和參考地電平探頭是兩種常用的電壓測量方法。差分探頭是一種流行的選擇，因為它可以毫無問題地添加到電路的任意節(jié)點中。而參考地電平探頭要注意實現(xiàn)方式，因為其屏蔽引腳連接到示波器的接地上。參考地電平測量實現(xiàn)不正確，一般會導致探頭參考上出現(xiàn)小的接地電流，明顯降低測量的準確度。這種效應(yīng)在SiC 設(shè)計中會更明顯，因為高dv/dt會給示波器探頭參考地電平引入寄生電流，導致測量誤差。在更嚴重的情況下( 參考地電平屏蔽層連接到功率信號時)，大電流會流過接地，損壞探頭或示波器。在最壞的情況下，從儀器到接地的連接失敗會導致示波器的外部金屬殼浮動到總線電壓，給操作人員的人身安全帶來嚴重威脅。 在使用參考地電平CVR 時，接地問題變得更加關(guān)鍵。如圖3 所示，在結(jié)合使用參考地電平探頭與CVR 時，有可能通過示波器屏蔽路徑繞過CVR。這會導致整個器件電流流過示波器，可能會損壞電壓探頭或示波器，也會帶來重大的人身安全隱患。一般來說，推薦使用差分探頭進行器件漏極到源極測量。
圖3. 在兩只參考地電平的探頭連接到不同電壓的參考平面時，器件電流會旁路CVR，流經(jīng)地線和示波器。這會導致測量錯誤，并可能會導致設(shè)備損壞。 電流測量 在功率電子系統(tǒng)中， 電流查看電阻器(CVR) 和Rogowski 線圈（圖4 a 和b）是兩種常用的電流測量方法。Rogowski 線圈是一種流行的選擇，因為它可以簡便地添加到電路中，是一種非侵入式測量，但這類探頭通常會有明顯的帶寬限制，不適合用于SiC。另一方面，CVRs 擁有極高的帶寬，可以進行準確的電流測量。遺憾的是，串聯(lián)晶體管時需要添加額外的器件要求謹慎規(guī)劃PCB 布線，因為添加CVR 一般會提高電路中的寄生電感。 圖4 比較了Rogowski 線圈和CVR 測量的典型SiC 硬開關(guān)事件。Rogowski 線圈的帶寬明顯低得多，導致人為抑制試驗波形中存在的振鈴。更重要的是，它會人為抑制初始過沖，對測量的di/dt 發(fā)出預(yù)警。
圖4. CVR 與Rogowski 電流探頭，CAB016M12FM3 (TJ = 25℃ , RG = 6.8, Vos= 600 V,Is = 100A)。
圖5. CVR 與Rogowski 電流探頭, CAB011M12FM3 (TJ= 150℃ , RG = 1W), VDS= 600 V, IS = 100A)。 圖5 在更加激進的開關(guān)條件下比較了不同的探頭，比較中突出了兩個關(guān)心的點。第一，在關(guān)閉時，Rogowski 線圈不能充分捕獲電流波形的形狀，漏掉了輕微的膝部，會降低表面上的開關(guān)損耗。此外，打開時預(yù)測的di/dt 下降還會導致預(yù)測的開關(guān)損耗降慢。Rogowski 線圈帶寬下降的累積效應(yīng)，是估算的開關(guān)損耗降低。 圖6 直接比較了Wolfspeed WolfPACK™CAB011Ml2FM3 在漏極電流中估算的開關(guān)損耗。如上所述，Rogowski 線圈在預(yù)測時一直低估了電路的開關(guān)損耗，給人感覺電路損耗過于樂觀。由于不一致與探頭帶寬限制有關(guān)，所以它取決于晶體管的邊沿速率，在更激進的柵極電阻時會進一步提高。對低速開關(guān)技術(shù)( 如IGBTs)，計量差異可以忽略不計。
圖6. 使用不同探頭(CAB011M12FM3, TJ = 150℃ , RG= 1W) 估算開關(guān)損耗(Eoff + Eon)。 校正探頭時延 使用的探頭除了要有充足的帶寬和噪聲抑制功能外，還必須進行時延校正，保證電壓信號和電流信號的時延匹配。電壓探頭和電流探頭時延不匹配哪怕只有1-2ns，就會導致30% 及以上的Eon 和Eoff 測量誤差。正確地進行時延校正對SiC 系統(tǒng)中固有的快速開關(guān)瞬態(tài)信號至關(guān)重要。 在時延校正前，必要時要自動清零和校準探頭，消除任何偏置或定標誤差。通過使用對稱連接把兩只探頭連接到一臺函數(shù)發(fā)生器上，可以校正電壓探頭VDS 和VGS 的時延。使用函數(shù)發(fā)生器生成的方波，檢查信號的振鈴和下降沿是否對齊。可以使用圖7 所示的電路板，簡便地連接函數(shù)發(fā)生器和任何電壓探頭。函數(shù)發(fā)生器信號連接到電路板中心，電路板邊緣周圍為示波器探頭連接提供了各種選項，可以適應(yīng)各種探頭接口。
圖7. 功率測量時延校正和校準夾具(067-1686-00)7，可以補償電壓探頭和電流探頭之間的定時差。 有多種方法校正VDS 和ID 探頭時延，保證正確測量開關(guān)損耗。所有方法背后的原理都一樣，即要有一條測試電路，如圖7所示的夾具，盡可能接近純電阻電路，這樣電壓波形和電流波形就能對準。然后可以使用這條測試電路校正電流探頭時延，與電壓探頭響應(yīng)相匹配。 SiC 電路級驗證使用的探頭連接技術(shù) 在執(zhí)行柵極測量時，要認真考慮連接選項，確保從功率轉(zhuǎn)換模塊中捕獲干凈的信號。鑒于這是在較高電壓下進行的未接地測量，因此連接非常關(guān)鍵。有兩種主要連接方式：MMCX 為器件連接提供了一種模塊化預(yù)制件方法，方針則有一個連接器可以轉(zhuǎn)接到不同的PC 電路板實現(xiàn)方案。 MMCX 式傳感器尖端電纜( 高性能，高達250 V 應(yīng)用) MMCX 連接器插到測試點附近時，IsoVu Gen 2 測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)最好的性能。圖8 a 和 b 顯示了兩種不同的應(yīng)用。這些MMCX連接器提供了高信號保真度，固體金屬機身和黃金觸點提供了屏蔽精良的信號路徑。配對的MMCX 接口提供了卡接連接，擁有正向固定力，實現(xiàn)穩(wěn)定的免提連接能力。分離力為高壓應(yīng)用提供了安全穩(wěn)定的連接。MMCX連接器分成多種配置，可以轉(zhuǎn)接到許多應(yīng)用，即使電路板中沒有設(shè)計這種連接器也無妨。
圖8. MMCX 連接器 （a）實例1 （b）實例2 方針到MMCX 轉(zhuǎn)接頭 在不能使用MMCX 連接器時，可以轉(zhuǎn)接尖端電纜，適應(yīng)行業(yè)標準方針。泰克提供了探頭轉(zhuǎn)接頭，把傳感器尖端電纜連接到電路板的方針上。泰克提供了兩種不同間距的轉(zhuǎn)接頭：MMCX 到0.1 英寸(2.54 毫米)轉(zhuǎn)接頭和MMCX 到0.062 英寸(1.57 毫米) 轉(zhuǎn)接頭。轉(zhuǎn)接頭有一個MMCX 插座，用來連接IsoVu尖端電纜。轉(zhuǎn)接頭另一端有一個中心引腳插座，轉(zhuǎn)接頭外部周圍有4 個公共( 屏蔽) 插座。轉(zhuǎn)接頭上的凹槽可以用來固定屏蔽插座。在探頭尖端轉(zhuǎn)接頭靠近電路板時，可以實現(xiàn)最佳的電氣性能。 方針式傳感器尖端電纜 TIVP 系列(IsoVu Gen 2) 產(chǎn)品還包括方針式傳感器尖端電纜，可以實現(xiàn)更高的輸入差分電壓功能。這些尖端接口不僅連接簡便，而且連接牢固，在高壓環(huán)境中可以安全實現(xiàn)免提操作。方針式傳感器尖端電纜分成兩種：0.100˝ (2.54 mm) 間距，可以用于高達600V 的應(yīng)用；0.200˝ (5.08 mm) 間距， 可以用于高達2500 V 的應(yīng)用。 非預(yù)計的測試點 在理想情況下，測試點會提前規(guī)劃，并整合到柵極驅(qū)動器或評測電路板中，如Wolfspeed KIT-CRDCIL12N-FMC Wolfpack 評測套件。在這種場景下，MMCX 連接器會提供最好的性能，如果關(guān)心的信號落在300Vpk 電壓額定值范圍內(nèi)，推薦使用MMCX連接器。 當然，我們不能一直預(yù)測每個可能的測試點。在具體情況要求添加非預(yù)計的測試點時（如圖9 所示），應(yīng)根據(jù)以下指引確保最高的測量準確度： 在電壓額定值允許時使用MMCX 連接器。 連接器位置要盡可能安全地靠近IC 或元器件。 同樣，任何要求的飛線要盡可能短或不用飛線。 使用熱熔膠、聚酰亞胺膠帶或類似東西機械加強連接器。 在實例中，電路板組裝后在VGS 測試點中添加了一個方針頭部。測試點使用非導電的熱熔膠加強，以增加強度。
圖9. 經(jīng)VGS 節(jié)點焊接方針頭部，測量高側(cè)柵極驅(qū)動信號。 小結(jié) 總之，寬帶隙半導體技術(shù)將在功率轉(zhuǎn)換和能效的未來發(fā)展中發(fā)揮巨大的作用。與同等硅產(chǎn)品相比，SiC 開關(guān)更小，更快，效率更高。這些技術(shù)廣泛用于各種應(yīng)用中，從電動汽車到光伏材料。因此，使用正確的工具測試這些技術(shù)變得非常重要，這樣設(shè)計人員才能正確設(shè)計、開發(fā)及整合到最終應(yīng)用中。 泰克系列解決方案發(fā)揮著關(guān)鍵作用。IsoVu™ 隔離探測系統(tǒng)提供了浮動的非參考地電平的差分探測體驗，特別適合柵極測量需求，其帶寬從200 MHz 到1 GHz，擁有各種探測尖端，在需要時可以衰減支持電壓更高的信號。5 系MSO 示波器是高分辨率(12 位) 示波器，特別適合測試存在高得多的電壓時的小電壓；8 條通道可以同時查看更多的定時信號，優(yōu)化性能，考察大量信號之間的關(guān)聯(lián)性。5-PWR 軟件旨在5 系MSO 示波器上運行自動的、準確的、可重復的功率完整性測量，包括實際工作條件下的開關(guān)損耗、傳導損耗、RDS_ON、磁性損耗、SOA 等等。 |
