功率 MOSFET 特性双脉冲测试简介

在过去的20年里，我听到了许多关于双脉冲的解释，有时甚至很有趣。比如如，“双脉冲是电四极杆的表征，第一个脉冲描述输入，第二个脉冲描述出。”
 

01

对于经验丰富的专业人士来说，不言而喻的事情有时可能会给经验不足的人带来误解。作为测试设备制造商，我们意识到用户对双脉冲测试有不同的看法。

电力电子组件的开发需要几个步骤。其中之一涉及功率半导体开关行为的动态特性。为此，使用双脉冲测试装置，其中包括：

1.电容式储能装置，也称为直流母线电容器；

2.待测功率半导体，至少由一个开关和一个二极管组成，以及；

3.负载电感器，用作磁传感器。
 

02

双脉冲有什么用？

图1显示了可能的双脉冲设置的示意图，图2中显示了测量数据。

 

图一

图二

通过第一个脉冲，负载电感被磁化至所需的额定电流，从而关断电流提供有关工作点处关断行为的第一个数据 (A)。经过恢复时间（在此期间半导体必须完全断电）后，它会再次打开。先前的标称电流在相反的二极管中流动（由负载电感驱动）。当再次打开时，电流换向回到正在测试的半导体。

这为第二数据集 (B) 提供了有关功率半导体导通行为的所有信息。一旦在标称电流下完全记录了开启过程，第二个脉冲就会关闭。然而，所得数据不一定令人感兴趣。

一般而言，假设在指定操作点的开关操作中没有任何问题的半导体将始终在该操作点中幸存。前提是半导体不会退化，并且产生的热量会持续消散。可以通过表征所有可能的工作点并计算功率损耗（考虑开关频率）来计算所需的冷却能力。

图三

03

寄生无源器件

除了负载电感之外，每根连接电缆还会向电路中引入更多的电感。不幸的是，这种情况也会发生在电感应尽可能少或根本没有电感的区域。此外，每根电缆都与相邻导体形成耦合电容。这些寄生无源元件反过来形成谐振电路，快速开关元件很容易触发该谐振电路。

当然，组件之间的所有距离都应尽可能短。因此，由两个半导体和直流母线电容形成的换向电路的电感值可减少至大约10nH。

关断后，相应的半导体通过建立结势垒而关断。结电容与换相电感形成谐振电路。由此产生的关断振荡可以被认为是反向电压曲线上的重叠。关断过程会中断换向电感中的电流，导致其产生关断过电压。

根据设置，关断过压和关断振荡的重叠可能导致峰值电压值增加或部分抵消。应在最坏情况条件下表征关断行为，以防止超过半导体上的最大反向电压以及相关的半导体损坏。其中包括使用未来的目标布局、最高开关速度下的预期结温以及最高电流下的关断。

经验表明，即使在最大值之间的工作点，有时也会出现临界条件。因此，建议对整个工作范围内的开关过程进行密切表征。

 

图四

正确的顺序可以节省时间。这里，必须对半导体表征和电力电子器件表征之间进行根本区别。
 

04

负载电流

获取数据最简单、最快的方法是修改电流的工作点。关断电流与开启时间有关。有两个问题需要考虑：

1.载流负载电感具有直流链路电容提供的一定量的能量，直到其关闭为止。

2.由于传导损耗，在开启阶段能量损失。因此，关断后，直流母线电容不再具有与接通时相同的电压值。

要在特定电压值下关闭，直流母线电压必须增加预期的差值。电流范围应考虑运行期间的所有值-特别是短路事件。

两个工作点之间的范围是有争议的：额定电流范围内有5到10个工作点是常见的。当然，全自动测试台可以实现更紧密的网格表征。幸运的是，将每个测量图保存在光盘上或花费大量人力进行评估的日子早已一去不复返了。

门配置

一些设置提供了操纵栅极驱动器控制方式的选项。例如，可以自动调整栅极电阻、栅极电流或栅极电压。由于这些直接影响开关行为，因此在表征过程中必须考虑这些因素。通常，重新参数化栅极驱动器只需要几秒钟的时间。因此，建议在每个工作点之后或在具有相同直流母线电压的一系列工作点结束时在特性描述中包含新参数。

然而，如果栅极驱动器不是自动化的，则应在整个测量系列结束时进行手动参数化。由于测试系统必须在每个脉冲后断开电源，并且统计访问次数明显高于参数化完整系列时的访问次数，这大大降低了安全风险。现在针对不同的直流母线电压重复整个电流范围的表征。建议使用相同的直流母线电压来表征多个电流值，以节省能源和时间。这避免了直流母线电容器不必要的充电和放电周期。
 

05

直流母线电压

半导体表征的电压范围限制在零到通常最大允许反向电压的80%之间。关断过电压绝不能超过允许的最大反向电压！

例如，在表征电力电子器件时，可以将表征参数限制为逆变器的电压范围。通常，所有电压范围都通过至少5到 10个中间点进行测量，从而更详细的表征可以提供更深入的了解。

接面温度

结温通常是最后要修改的参数。有几种不同的方法是可能的。控制温度的最简单方法是使用加热板，将半导体或散热器加热到所需温度。然而，这种方法只能使结温高于室温。

该过程的延伸是利用液压温度控制板进行温度调节。原则上，这是一个充油散热器。温度控制装置控制油的温度。此设置允许的温度范围为-40°C 至 +200°C。应该注意的是，在低于露点的温度下，被测设备 (DUT) 可能会发生冷凝和随后结冰。反过来，金属表面会在高温下氧化。理想情况下，DUT 应在惰性气体环境中运行。潮湿和无氧的环境可防止结冰和氧化。