功率半導(dǎo)體器件的動態(tài)測試中，雙脈沖測試是一個典型的測試需求，本文將從雙脈沖測試原理、過程、主要測試內(nèi)容等方面為大家說清雙脈沖測試。
雙脈沖測試原理
功率半導(dǎo)體器件具有幾十種參數(shù)來表征其特性，通過參數(shù)可以幫助工程師更好地完成產(chǎn)品的設(shè)計。功率半導(dǎo)體器件參數(shù)綜合而言可以分為三大類：
器件最值，包括器件極限工作點相關(guān)的參數(shù)，如擊穿電壓、熱阻抗、最大耗散功率、最大漏極電流和安全工作區(qū)等；
靜態(tài)參數(shù)，包括器件的工作點的電壓電流關(guān)系，如傳遞特性、閾值電壓、輸出特性、導(dǎo)通電阻、二極管導(dǎo)通特性、第三象限導(dǎo)通特性等；
動態(tài)特性，包括器件的開關(guān)過程、反向恢復(fù)過程、柵電荷、結(jié)電容等。
三類測試中，以動態(tài)特性測試最為復(fù)雜，而雙脈沖測試主要就是針對器件動態(tài)特性進行的。如圖1是典型的半橋電路，是一個典型的雙脈沖測試電路，電路由被測器件QL、陪測二極管VDH、負載電感L、驅(qū)動電壓源VBus，脈沖控制信號源VDRV組成。測試過程中通過脈沖控制源VDRV輸出脈沖，控制QL進行開斷，得到器件在指定電壓、電流下的開關(guān)特性。
圖1 雙脈沖測試電路
雙脈沖測試信號如圖2所示，在t0時刻啟動驅(qū)動電壓源VBus，t0-t2時段為被測器件QL關(guān)斷信號，t2-t3為導(dǎo)通時段，t3-t4為關(guān)斷時段，t4-t5為導(dǎo)通時段。t5之后徹底關(guān)斷器件，并將驅(qū)動電壓源VBus下電，測試結(jié)果。為了更好地理解整個測試過程，我們進一步分解每個過程的電路變化。
圖2 雙脈沖信號
在t0-t2時刻，電路狀態(tài)如圖3所示，電路驅(qū)動電壓源VBus啟動，輸出器件QL所需的指定電壓Vset,此時由于器件QL還處于短路狀態(tài)，因此VDS逐漸上升至Vset,回路之中沒有電流產(chǎn)生。
圖3 t0-t2狀態(tài)電路
在t2-t3時刻，電路狀態(tài)如圖4所示，由于已經(jīng)器件QL導(dǎo)通，回路有效，回路中產(chǎn)生電流IL和IDS，由于存在電感L，電流無法突變，因此IL和IDS會逐漸升高至器件QL所需的指定電流Iset，此時VDS為零。
圖4 t2-t3狀態(tài)電路
在t3-t4時刻，電路狀態(tài)如圖5所示，此時器件QL關(guān)斷，QL回路無效，電流IDS為零，但由于電感電流無法突變，電流IL依舊存在，并通過陪測二極管VDH形成電流IF，此時VDS與Vset電壓相等。
圖5 t3-t4狀態(tài)電路
在t4-t5時刻，電路狀態(tài)如圖6所示，此時器件QL再次導(dǎo)通，由于t3-t4時段中電感回路產(chǎn)生的電流IL持續(xù)有效，因此在此時間段內(nèi)，IDS的值將會進一步升高，超出器件QL指定電流Iset，此時VDS再次為零。
圖6 t4-t5狀態(tài)電路
我們將各參數(shù)在各時間段的變化繪制在一個坐標圖中，如圖7所示。整個過程中器件QL經(jīng)過了兩次導(dǎo)通和關(guān)斷，形成兩個脈沖，因此得名雙脈沖測試。在雙脈沖過程中，t2時刻為導(dǎo)通時刻，t3時刻為關(guān)斷時刻，記錄這個兩個時刻過程的VGS、VDS電壓、IDS電流波形，就可以對器件開關(guān)特性進行分析和評估了。此外t4時刻不僅是器件再次導(dǎo)通時刻，還是陪測二極管VDH反向恢復(fù)過程，此時記錄電壓、電流波形可以分析出器件反向恢復(fù)相關(guān)特性。
圖7 雙脈沖測試過程時序
雙脈沖測試的項目內(nèi)容
雙脈沖測試主要實現(xiàn)的是功率半導(dǎo)體的動態(tài)特性測試，動態(tài)特性主要包括開關(guān)特性、反向恢復(fù)、結(jié)電容、柵電荷等幾部分，其具體包括的測試項目如表1所示。
表1 雙脈沖測試項目內(nèi)容
雙脈沖測試所需硬件組成
如圖8所示是雙脈沖測試平臺結(jié)構(gòu)圖，包括測試板、直流電源、輔助電源、信號發(fā)生器、示波器、電壓探頭、電流探頭等硬件組成。
圖8 雙脈沖測試平臺結(jié)構(gòu)圖
測試板：包括主功率電路、驅(qū)動電路、去耦電容、母線電容、對外接口，一般由測試人員自行設(shè)計，確保實現(xiàn)所需測試無誤，測試板需要根據(jù)被測產(chǎn)品不同而進行調(diào)整。
直流電源：在雙脈沖測試中，為母線電容充電，起到提供母線電壓的作用，對其基本要求是其輸出電壓能夠滿足測試要求，特別需要考慮電壓等級，輸出電流能力等。
輔助電源：輔助電源一般用于為驅(qū)動電路供電，一般以臺式直流源為主。
信號發(fā)生器：在雙脈沖測試過程中需向驅(qū)動電路發(fā)生雙脈沖信號指令，可以由測試者使用MCU開發(fā)板完成，或者選擇單獨的信號發(fā)生器產(chǎn)品亦可。
示波器：雙脈沖測試中最重要的設(shè)備就是示波器，示波器的選擇要充分考慮被測設(shè)備的上升時間、頻率響應(yīng)時間，因此對示波器的帶寬有一定要求。隨著目前功率器件開關(guān)頻率的上升，示波器的帶寬一般要求不小于500MHz。其次為準確測量雙脈沖過程中的電壓、電流數(shù)據(jù)，對示波器本身的測量精度、底噪要求會比較高，最好采用高位數(shù)ADC的示波器產(chǎn)品。
ZUS系列是致遠儀器推出的采用12bit高速ADC，實現(xiàn)最高1GHz測量帶寬，并配備了電源分析、智能硬件時序分析、汽車總線分析、以太網(wǎng)眼圖、X-Key等功能的高精度示波器，非常使用用于雙脈沖測試。
圖9 ZUS系列高精度示波器
電壓探頭：由于功率器件在開關(guān)瞬間往往會有較高的電壓，因此電壓采集一般采用高壓差分探頭，在雙脈沖測試中需要選擇帶寬足夠高、共模抑制比足夠大的差分探頭，更好的選擇是使用光隔離探頭。
致遠儀器推出的ZOP5035系列光隔離探頭，具有超高共模抑制比，最大差分電壓測量可達2500V，具備500MHz帶寬，非常適合用于雙脈沖測試。
圖10 ZOP5035光隔離探頭
電流探頭：雙脈沖測試中需要測試電流信號，需要匹配電流探頭，與差分探頭一樣需要考慮電流探頭的帶寬、量程范圍。
致遠儀器推出的ZCP系列電流探頭，具有量程寬，帶寬高，兼容性好等特點。
圖11 ZCP系列電流探頭
時間偏移校準夾具：因為示波器采用了差分探頭和電流探頭，而且雙脈沖測試中電壓、電流頻率較高，探頭在測試高頻信號時會產(chǎn)生一定的延遲。在測試中需要校準探頭延時，以消除延時影響。因此需要配套時間偏移夾具進行校準。
致遠儀器提供的ZDF1000校準夾具支持LARGE LOOP/SMALL LOOP工作模式，可以輸出12KHz方波信號用于探頭校準。
圖12 ZDF1000校準夾具
隨著行業(yè)測試需求的提升，致遠儀器將立足行業(yè)需求，不斷推出新的測試方案，為行業(yè)發(fā)展提供助力。
