在電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計中，對電源晶體管進(jìn)行精準(zhǔn)評估并為應(yīng)用程序挑選合適的設(shè)備至關(guān)重要。理想情況下，功率半導(dǎo)體供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表應(yīng)能提供一致的結(jié)果，便于工程師比較動態(tài)參數(shù)。然而，在動態(tài)切換特性方面，實際操作卻困難重重。用于表征寬帶隙（WBG）功率晶體管的標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)，必須將寄生參數(shù)控制在極小范圍內(nèi)，并確保各系統(tǒng)間的一致性。本文將深入探討設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)雙脈沖測試（DPT）系統(tǒng)時的重要考量因素，該系統(tǒng)旨在關(guān)聯(lián)多個測試系統(tǒng)的結(jié)果。
原則上，DPT 設(shè)置并不復(fù)雜，其簡化圖如圖 1 所示。測試工程師通常會用二極管替換 “高側(cè)” 晶體管來簡化系統(tǒng)。但隨著 WBG 設(shè)備開關(guān)速度的不斷提升，系統(tǒng)中諸多重要的外部寄生組件不容忽視（圖 2）。
圖 1：DPT 設(shè)置的簡化圖
許多外部寄生參數(shù)，尤其是電源回路、柵極環(huán)和直流鏈路循環(huán)這三個主要回路，會對波形產(chǎn)生顯著影響。此前的文章已對此進(jìn)行了詳細(xì)討論。此外，寄生參數(shù)還會極大地影響提取的開關(guān)參數(shù)。像電源循環(huán)和柵極循環(huán) LSS 共有的電感、外部柵極電阻 RG、外柵極電感 LG 以及負(fù)載電感寄生等外部因素，都會影響功率半導(dǎo)體的開關(guān)速度。同時，測得的開關(guān)能量會受到當(dāng)前分流器的載荷電感和寄生電感（LSHUNT）的寄生電容（CIND）的影響。
圖 2：具有一些重要的外部寄生組件的 DPT 設(shè)置
正如上一篇文章所提及的，分流帶寬對開關(guān)能量有著重大影響。寄生元件在轉(zhuǎn)換啟動過程中會導(dǎo)致較高的測量電流峰，并放大測得電流信號的所有高頻成分。對用于測量的分流進(jìn)行表征，有助于降低 Lshunt 的影響，從而在適當(dāng)補償時無需考慮它以實現(xiàn)結(jié)果的可比性。
功率半導(dǎo)體數(shù)據(jù)表中關(guān)于用于提取開關(guān)參數(shù)的 DPT 系統(tǒng)的信息十分有限。除了測試參數(shù)（如 VDS、ID、VGS）外，通常僅指定 RG 和 LIND，而這些參數(shù)在系統(tǒng)中較易控制和更改。
部分?jǐn)?shù)據(jù)表還會顯示負(fù)載電感器和總功率環(huán)電感的寄生電容（CIND）。CIND 是一個關(guān)鍵參數(shù)，因為它與高側(cè)設(shè)備并行引入了額外的電容。在轉(zhuǎn)換期間，這種額外的電容會導(dǎo)致比設(shè)備實際反恢復(fù)電流更高的測量峰值電流，進(jìn)而增加轉(zhuǎn)換期間的開關(guān)能量。燈具布局本身也可能引入具有相似效果且未被指定的寄生電容。從圖 3 中可以看到，具有不同 CIND 的兩個電感器之間的轉(zhuǎn)換波形存在差異，較高電感值的測量結(jié)果顯示電流峰更高、更長，且下降邊緣有延遲，這使得開關(guān)能量增加了 4.5％。因此，控制 CIND 并減少布局寄生電容至關(guān)重要。
圖 3：兩個有不同 CIND 的電感器之間的轉(zhuǎn)換波形比較
總功率循環(huán)電感也不容忽視，因為它會在 id 的轉(zhuǎn)換邊緣產(chǎn)生電壓下垂，計算公式為 vds，drop = lpowerloop?did/dt [1]。對于具有陡峭電流坡度的快速開關(guān)設(shè)備，這種電壓下垂的影響更為顯著，在上升時間計算時必須予以考慮。將功率循環(huán)電感分解為其組件 LS 和 LDS 也很重要，因為它們對系統(tǒng)和測量結(jié)果的影響方式不同。LSS 在柵極環(huán)中產(chǎn)生負(fù)反饋時會降低開關(guān)速度，減慢轉(zhuǎn)換和關(guān)閉過渡的輸出電流斜率，同時減小振鈴。相比之下，LDS 是所有信號（VD、ID、VGS）上振鈴的主要來源，但實際上對開關(guān)速度沒有影響。了解 LSS 和 LDS 的不同影響十分關(guān)鍵，因為它們的作用相反。
在之前的文章中，還討論了示波器輸入時間偏斜的影響以及如何降低它。信號偏斜對于依賴兩個不同信號（如開關(guān)能量和延遲時間）的參數(shù)尤為重要?？紤]這些參數(shù)的探針位置也很關(guān)鍵。探針可以放置在接近測試設(shè)備（DUT）的附近或遠(yuǎn)處，這會改變探針的走線長度。由于信號傳播延遲，這會導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)額外的偏斜。一個簡單的測試表明，將探針位置改變幾厘米，會使延遲時間的變化增加 0.5 ns（圖 4）。對于延遲時間 > 50 ns 的較慢開關(guān)設(shè)備，這可能影響不大，但對于新的、更快的設(shè)備，其延遲時間為 5 ns 或以下，這將導(dǎo)致 10％或更高的誤差。
圖 4：覆蓋的轉(zhuǎn)換波形，具有不同位置的 V_GS 探針（藍(lán)色）
目前，半導(dǎo)體制造商大多使用自制的 DPT 系統(tǒng)來獲取開關(guān)參數(shù)，但許多制造商難以將不同系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)。為了在多個系統(tǒng)測試 WBG 功率晶體管時獲得可比結(jié)果，有兩種方法可供選擇。
種方法是，制造商對其 DPT 系統(tǒng)的寄生參數(shù)進(jìn)行表征，并將其納入指定特征的測試條件。然而，要了解并共享所有寄生參數(shù)（如布局、電感器等）的信息并非易事，甚至測量其中一些寄生參數(shù)也存在困難。即使所有條件都能高精度地確定并陳述，也很難量化這些寄生參數(shù)對結(jié)果的確切影響。表 1 展示了一個簡化示例，說明了比較在兩個不同 DPT 系統(tǒng)上獲得的測量結(jié)果的難度。該示例僅顯示了部分測試條件，實際情況中，完整的測試條件列表會包含更多參數(shù)。在相同的測試電壓、電流和柵極電阻值下測量兩個設(shè)備，但在不同的 DPT 系統(tǒng)上進(jìn)行。與設(shè)備 B 相比，設(shè)備 A 明顯顯示出更高的轉(zhuǎn)換和開關(guān)能量。但如前所述，開關(guān)速度和能量的主要影響因素之一是 LSS。用于表征設(shè)備 A 的測試系統(tǒng)的 LSS 高于設(shè)備 B 的測試系統(tǒng)。在沒有進(jìn)行模擬和詳細(xì)分析的情況下，很難比較這兩個設(shè)備，也難以確定哪個設(shè)備更快，以及在目標(biāo)應(yīng)用中消耗的開關(guān)能量更少。
| 參數(shù) | 設(shè)備 A | 設(shè)備 B |
|---|
| v/i | 600V / 20A | 600V / 20A |
| r g | 0Ω | 0Ω |
| t delay_on | 43 ns | 39 ns |
| t 崛起 | 34 ns | 32 ns |
| e | 563 μJ | 547 μJ |
| L DS | 10 nh | 15 NH |
| L SS | 10 nh | 5 NH |
表 1：簡化的示例，顯示了在不同測試系統(tǒng)上獲得的可比數(shù)據(jù)的難度
由于測量所有寄生參數(shù)并比較其對測量結(jié)果的影響存在困難，因此需要探索另一種實現(xiàn)目標(biāo)的方法。
獲得可比結(jié)果的第二種方法是保持 DPT 系統(tǒng)的寄生參數(shù)恒定，這就需要一個標(biāo)準(zhǔn)的 DPT 系統(tǒng)。通過設(shè)計一個性能良好且易于使用的 DPT 系統(tǒng)，可以將潛在的人為錯誤降至，使所有寄生參數(shù)和其他影響因素保持相對穩(wěn)定。使用這樣的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)獲取多個設(shè)備的參數(shù)，能夠更方便地在供應(yīng)商之間進(jìn)行設(shè)備比較。
為了保持寄生參數(shù)的穩(wěn)定，同時提供一個可靠且靈活的系統(tǒng)，需要解決幾個關(guān)鍵問題。在考慮 DUT 接口和柵極驅(qū)動程序連接時，將它們焊接在 PCB 上是一種可靠的方法，但這會犧牲工程師的操作靈活性。如果工程師想要更換 DUT 或門電阻，就必須拆除舊部件并焊接新部件。經(jīng)過多次設(shè)備更換后，PCB 可能會損壞，導(dǎo)致獲得的測量結(jié)果不再具有可比性。一種特殊設(shè)計的 DUT 接口板，采用緊密插座類型連接器，使工程師無需焊接即可輕松更換晶體管（如 TO247 封裝）。這樣，一個 DUT 板可以用于數(shù)千次插入操作。
要獲得柵極驅(qū)動器的靈活性，可以采用一個可單獨交換的板（具有不同的值），并將其插入同一 DUT 板。柵極驅(qū)動器板允許與 DUT 板進(jìn)行重復(fù)且一致的連接。對于不同的門電阻器，理想情況是擁有一個帶有可切換電阻器或可變電阻器的門驅(qū)動器板。然而，在門環(huán)中引入開關(guān)會增加寄生門電感，因此不是選擇。使用可變的整孔電阻也存在類似問題，因為其寄生電感遠(yuǎn)高于表面載體電阻，而且操作容易出錯，可能會導(dǎo)致電阻器混淆，進(jìn)而影響測試結(jié)果的記錄。正確的做法是采用具有可變標(biāo)準(zhǔn)的門驅(qū)動器板的標(biāo)準(zhǔn) DUT 板設(shè)計，這樣有助于在多個系統(tǒng)之間創(chuàng)建可比的結(jié)果。
從 DC - LINK 電容器組到 DUT，需要在降低寄生電感 LDCLINK1 和 LDCLINK2 之間進(jìn)行權(quán)衡。大容量電容器體積較大，不適合安裝在 DUT 板上。將它們放置在單獨的主電容器板上，可以提高不同 DUT 板（如 TO247 - 4、D2PAK - 7 等）的靈活性，但這會增加 LDCLINK1 和 LDCLINK2。因此，每個 DUT 測試板都應(yīng)包含解耦電容器，以在不損失靈活性的前提下，盡可能減小電源循環(huán)。精心設(shè)計的解耦電容器值可以有效減少較大的 LDClink 值的影響。
在使柵極和功率回路的寄生電感保持恒定后，剩下的主要影響因素就是電感器本身。關(guān)于電感器，有多個因素需要考慮。電感器的布局或設(shè)計會影響其直流電阻和寄生電容，建議為每個系統(tǒng)使用相同的設(shè)計，以確保結(jié)果的可比性。電感器周圍會產(chǎn)生磁場，系統(tǒng)中電感器位置的變化可能會對被感應(yīng)的磁場產(chǎn)生不同的影響，因此固定電感器的位置非常重要。電感器的電纜長度和電纜定位也會增加寄生參數(shù)，較長的電纜通常會導(dǎo)致更高的寄生效應(yīng)。因此，一個可靠的系統(tǒng)需要固定電感器的定位和連接方式。
