|
透過自動執行寬能隙元件 (例如 SiC 和 GaN 功率元件) 的雙脈衝測試，您可以縮短設定和分析時間。
減少碳排放的需求推動了對電氣技術的投資，特別是在資料中心和電動車方面。彭博社 (Bloomberg) 在其最新的「電動車發展展望」 Elective Vehicle Outlook 報告中估計，到 2050 年，全球電力需求將增加 27%，這主要是由於幾乎所有道路運輸電氣化所致。
寬能隙 (WBG) 半導體，包括氮化鎵 (GaN) 和碳化矽 (SiC)，正逐漸取代切換模式電源和馬達驅動器中的矽基功率 MOSFET 和 IGBT。與矽相比，GaN 和 SiC 元件具有更高的切換速度、更高的功率密度、更高的頻率響應、更低的洩漏、更低的導通電阻和更高的操作溫度。這些特性提高了運作效率，不僅可以減少能源消耗，進而更容易遵守監管和認證要求，以及目前的 JEDEC JC-70 寬能隙電力電子轉換半導體標準。但其相容性需要進行測試。
WBG 帶來了全新的測試方法。隨著工程師繼續研究寬能隙技術，將會更瞭解這些元件的行為及其效能。SiC 和 GaN 的常見電晶體架構分別是 MOSFET 和 HEMT。兩者都具有各自的優勢，但都面臨各自的量測挑戰。
雖然設計和生產過程中所需的測試與矽基元件的測試類似，但採用寬能隙材料需要更嚴格的電壓和電流位準，以準確量測效能和長期可靠性。SiC MOSFET 等高功率裝置的工作電壓遠高於 1,000 V，甚至高達 5,000 V。由於電流位準在數十至數百安培，因此工程師越來越常面臨千瓦至兆瓦的功率位準。這些位準需要新的測試策略，而且，更重要的是強調安全性。
圖 1：雙脈衝測試設定使用示波器、萬用電錶和電源量測設備。
為了全面驗證基於 SiC 或 GaN 的 WBG 元件，工程師必須使用如圖 1 所示的測試設定來測試多個參數。參數包括：
- 切換損耗：精確的時間校正非常重要。擷取訊號中即使是奈秒級誤差，都可能會導致不正確的結果。
- 峰值電壓：電壓尖峰通常出現在大電流、高速硬切換期間。
- 峰值電流：WBG 電晶體的快速切換操作會導致驟變的電流尖峰，為裝置帶來壓力並可能縮短使用壽命。
- 反向恢復電荷：必須量化此行為以瞭解其對總損耗的貢獻。圖 2 顯示了反向恢復電荷波形。
圖 2：顯示畫面頂部的反向恢復波形顯示多個事件的重疊圖。
雙脈衝測試
量測 WBG 元件切換和二極體反向恢復參數的首選測試方法是雙脈衝測試 (DPT)。DPT 是進行多項關鍵量測的有效流程，有助於驗證和最佳化這些功率轉換器設計。圖 3 顯示了典型的測試電路。
圖 3：箭頭表示 MOSFET 雙脈衝測試電路中的電流。
執行 DPT 可讓您:
- 確保功率元件的規格，例如 MOSFET 和 IGBT。
- 確認功率元件或功率模組的實際值或偏差。
- 在各種負載條件下量測切換參數，並驗證許多元件的效能。
若要定義 DPT 訊號，您需要兩個不同寬度的脈衝 (圖 4)。第一個較長的脈衝在電感器中建立電流 (如圖 3 所示)，複製轉換器設計中的電路條件。您需要調整脈衝寬度以獲得所需的測試電流。
圖 4：在雙脈衝測試中，第一個脈衝在圖 3 中的電感器 (L) 中產生電流。
第二個脈衝比第一個脈衝短，以防止元件過熱，但又足夠長以進行量測。
您可以使用手動方法建立具有不同脈衝寬度的脈衝，這可能非常耗時。其中一些方法包括在 PC 上建立波形並將其上傳至函數產生器。其他人則使用可能需要更耗時透過程式來設定的微控制器。
隨著材料研究人員和元件工程師探索新的和更先進的元件，例如基於氧化鎵、氮化鋁甚至鑽石的元件，可能會出現新的 DPT 方法。
任意函數產生器 (AFG) 可透過程式設定為輸出一系列大小相等的脈衝，而不是輸出程式設定的雙脈衝序列。累積起來，這些脈衝可以提供與正常 DPT 中的初始脈衝相同的電流。這篇同儕評審的期刊論文提出了這種方法。好消息是執行測試的儀器和軟體可以針對新方法進行修改。
測試自動化
若工程師有興趣瞭解 WBG 功率元件的切換、時序和反向恢復行為，可以使用自動 DPT 方法來縮短測試時間。附有量測軟體的示波器可以自動執行測試設定、執行和分析。
圖 5 顯示了典型的設定畫面。調節第一個脈衝寬度以獲得期望的切換電流值。然後，調整第二脈衝以避免損壞功率元件。您也可以設定脈衝之間的時間間隔。
圖 5：自動化軟體可讓您設定 DPT 脈衝寬度、間隙和振幅等級。
仔細的探測和最佳化將有助於您取得良好的結果。您可以採取措施進行準確且可重複的量測。例如，從量測中消除電壓、電流和時序誤差。自動量測軟體消除了手動步驟，節省了時間並提供可重複的結果。
結論
DPT 是量測切換參數和評估功率元件動態行為的首選測試方法。自動化 DPT 設定和分析可以大幅縮短測試時間，並加快下一代電源轉換器的上市時間。測試可以透過完全遠端控制輕鬆執行，讓您與高壓、高電流 DUT 保持距離，以提高安全性。
如果沒有量測關鍵值和確保功能的能力，您滿足能源需求和在全球碳減排方面取得進展的能力就只能到此為止。透過研究和測試新材料，我們可以更接近滿足能源需求和採用新效率標準的目標。對於彭博社預計的 27% 電力增幅，目前我們仍有時間降低對能源需求。
|
