通過考慮測(cè)量科學(xué)和技術(shù)來測(cè)量 DPT 設(shè)置中的開關(guān)波形、V GS、V DS和 I D，您可以對(duì)結(jié)果的可重復(fù)性和可靠性產(chǎn)生積極影響。在討論具體測(cè)量之前，讓我們先分析一下基本的 DPT 設(shè)置（圖 1）。

　　圖 1 獲得可重復(fù)、可靠的雙脈沖測(cè)試結(jié)果的挑戰(zhàn)
　　圖 1：基本雙脈沖測(cè)試設(shè)置
　　我們?cè)?4 月文章中的圖表中添加了更多細(xì)節(jié)，以強(qiáng)調(diào)幾個(gè)重要注意事項(xiàng)。所有測(cè)量?jī)x器均以地面為參考。使用傳統(tǒng)探頭時(shí)，示波器輸入為單端，接地引線基本上處于地面電位。對(duì)于許多電源，+ 和 - 端子從地面“浮動(dòng)”到指定的限值（即，地面和輸出端子之間的最大電壓為 500V）。這種與地面的隔離可以建模為這些儀器的隔離阻抗 (Z i )。同樣，許多波形/函數(shù)發(fā)生器與地面隔離，通常為 ± 42V。為什么這很重要？
　　共模效應(yīng)
　　理想情況下，我們假設(shè) DPT 設(shè)置中的接地電位相同，并且接地中沒有電流流動(dòng)。實(shí)際情況是，接地接觸點(diǎn)之間存在電位差，這被稱為共模電壓（圖 1 中的 V cm）。共模電壓會(huì)感應(yīng)共?！罢`差”電流，從而影響我們的測(cè)量?jī)x器（即示波器）。即使是隔離儀器（例如高壓電源）也會(huì)通過 Z i提供共模電流返回路徑，尤其是當(dāng)我們考慮設(shè)置中的更高頻率能量切換時(shí)。因此，需要在 DPT 設(shè)置中解決共模電流問題。
　　典型的 DPT 設(shè)置使用高壓電源為直流鏈路電容器充電，以提供完成 DPT 單個(gè)實(shí)例所需的能量。為了消除潛在的共模電流，在執(zhí)行 DPT 測(cè)試之前，應(yīng)使用開關(guān)（圖 1）將電源與 DPT 設(shè)置斷開。該技術(shù)解決了電源共模耦合的問題。同樣，波形發(fā)生器通常在柵極驅(qū)動(dòng)器中隔離，從而消除了任何共模耦合的可能性。
　　示波器則是一個(gè)不同的挑戰(zhàn)。它是測(cè)量 DPT 波形的儀器。如果沒有差分或隔離探頭，傳統(tǒng)示波器探頭從測(cè)量點(diǎn)到返回路徑將很長(zhǎng)，這使其容易受到共模噪聲的影響。如果沒有隔離/差分探頭，進(jìn)行 V GS、 V DS和 I D測(cè)量也存在挑戰(zhàn)。
　　首先，大多數(shù) DPT 設(shè)置測(cè)試低壓側(cè)設(shè)備（即圖 1 中的 DUT），以避免在測(cè)試高壓側(cè)設(shè)備時(shí)出現(xiàn)較大的共模電壓。此外，如果使用分流器進(jìn)行 I D測(cè)量，可以將電壓探頭測(cè)量分流器，方法是將接地引線放置在用于 V GS和 V DS測(cè)量的接地引線連接的同一節(jié)點(diǎn)。這將 DUT“源”端子確立為設(shè)置中的接地參考點(diǎn)，從而可以在沒有隔離或差分探頭的情況下進(jìn)行這三個(gè)測(cè)量。然后，訣竅是反轉(zhuǎn)分流器上測(cè)量的電壓的極性以確定 I D。
　　我們?nèi)匀幻媾R共模電流流過示波器探頭的問題，無論是在中心導(dǎo)體還是屏蔽層中。為了盡量減少這種誤差，探頭被繞在鐵磁芯或共模扼流圈上（圖 2）。由于探頭中心導(dǎo)體和屏蔽層中的共模電流流向相同方向，因此磁芯中的相關(guān)磁通量會(huì)疊加在一起。這實(shí)際上會(huì)為共模電流產(chǎn)生更大的反磁場(chǎng)。而對(duì)于差分（所需）模式電流，磁芯中的磁通量會(huì)抵消，從而消除反磁場(chǎng)，因此允許差分信號(hào)通過探頭傳輸?shù)绞静ㄆ鳌?br>　　對(duì) DPT 設(shè)置有了一些基本的了解后，讓我們來看看一些具體的測(cè)量。
　　VDS 測(cè)量

　　測(cè)量 V DS的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是需要在“ON”和“OFF”狀態(tài)下測(cè)量較大的動(dòng)態(tài)范圍。在“ON”狀態(tài)下，DUT 處于導(dǎo)通狀態(tài)，漏極到源極的電壓降很小（1V - ~10V）。進(jìn)行精確測(cè)量至關(guān)重要，因?yàn)?R DS (on)是通過將 V DS測(cè)量值除以相應(yīng)的 I D測(cè)量值計(jì)算得出的。在“OFF”狀態(tài)下，DUT 阻斷為測(cè)試選擇的工作電壓 (> 1000V)。由于測(cè)量值之間存在 2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)的差異，因此需要比示波器提供的大得多的動(dòng)態(tài)范圍。

　　圖 3 獲得可重復(fù)、可靠的雙脈沖測(cè)試結(jié)果的挑戰(zhàn)
　　圖 3：簡(jiǎn)化的 V DS鉗位電路和圖形
　　為了測(cè)量 DUT 關(guān)閉時(shí)的 V DS，我們根據(jù)所選的工作電壓使用適當(dāng)?shù)母邏禾筋^，這將衰減示波器范圍內(nèi)的信號(hào)。為了測(cè)量 DUT 打開時(shí)的 V DS，我們希望使用標(biāo)準(zhǔn)的 10:1 探頭來獲得盡可能準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。我們使用鉗位電路來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。鉗位電路的目的是限制 DUT 關(guān)閉時(shí)施加到示波器的電壓，這樣就不會(huì)損壞示波器。但是當(dāng) DUT 打開時(shí)，允許信號(hào)通過，測(cè)量低 V DS電壓。簡(jiǎn)化的原理圖和圖表說明了鉗位電路的功能（圖 3）。
　　當(dāng) V IN小于 V CLAMP – VTH時(shí)，V IN和 V OUT之間存在線性 1:1 關(guān)系。當(dāng) V IN達(dá)到 V CLAMP – VTH時(shí)，F(xiàn)ET 關(guān)閉并有效地將 V OUT鉗位到略低于 V CLAMP電壓，而不管 V IN的值是多少。您需要做的就是選擇一個(gè)高于預(yù)期 V DS(on)值且低于示波器最大輸入電壓的鉗位電壓。結(jié)果是當(dāng) DUT 開啟時(shí)精確測(cè)量 V DS(on) ，當(dāng) V IN大于 V CLAMP時(shí)鉗位電壓。
　　內(nèi)徑測(cè)量
　　一般而言，對(duì)于 DPT 設(shè)置，電流測(cè)量比電壓測(cè)量更困難。主要限制因素之一是帶寬。正如我們 4 月份的文章中提到的，DPT 信號(hào)的頻率內(nèi)容急劇增加，需要越來越高的帶寬測(cè)量。大多數(shù)電流傳感器帶寬通常低于更快 DPT 測(cè)量所需的帶寬。羅氏線圈是頗具吸引力的電流傳感器，因?yàn)樗鼈儍r(jià)格便宜、相對(duì)容易設(shè)置，并使用導(dǎo)體中變化的磁場(chǎng)來測(cè)量電流。但是，它們確實(shí)需要將傳感器環(huán)路連接到要測(cè)量的導(dǎo)體周圍。這在某些設(shè)置中是不可行的。此外，它們的帶寬有限（約 30 MHz），也不能測(cè)量直流電流。幾百 MHz 的帶寬對(duì)于測(cè)量更快功率半導(dǎo)體的電流非常重要?！　‰娏鞣至髌魇菧y(cè)量電流的另一種方法。電流流過“已知”的精密分流電阻，產(chǎn)生可測(cè)量的電壓，隨后用于計(jì)算電流。電流分流器需要斷開電流路徑才能將其插入目標(biāo)電路。具有低阻抗很重要，以最大限度地減少分流器對(duì)電路的影響。一些市售分流器的帶寬指定為 100 MHz。我們表征了幾個(gè)分流器（相同型號(hào)和規(guī)格）的 S21 傳遞函數(shù)，以查看它們的帶寬是否一致（圖 4）。

　　圖 4：同軸分流器的 S21 傳遞函數(shù)
　　這些分流器的 3dB 帶寬范圍為 ~ 25 MHz 至 ~ 280 MHz，性能差異超過一個(gè)數(shù)量級(jí)！這種差異顯著影響了 DPT 測(cè)量中捕獲的波形（圖 5）。與 280 MHz 分流器相比，您會(huì)注意到 25 MHz 分流器的 ID 過沖更多，從而扭曲了最終用于積分 e(ON) 的功率波形。這種失真是分流器而不是功率器件的產(chǎn)物。因此，25 MHz 分流器最終會(huì)導(dǎo)致從失真波形中提取更大且不正確的 e(ON)。
　　信號(hào)偏移　　如果不提及信號(hào)偏差，我們就無法討論動(dòng)態(tài)測(cè)試的測(cè)量挑戰(zhàn)。由于 DPT 波形具有高頻和尖銳的邊緣轉(zhuǎn)換，因此必須認(rèn)識(shí)到從每個(gè)示波器探頭到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)都有不同的信號(hào)路徑。這些不同的路徑會(huì)影響每個(gè)信號(hào)的傳播，從而導(dǎo)致信號(hào)偏差（圖 6）。根據(jù)哪個(gè)信號(hào)（VDS 或 ID）延遲，e(ON) 和 e(OFF) 計(jì)算可能會(huì)低估或高估由此產(chǎn)生的開關(guān)損耗。

　　圖 5：BW 對(duì)電流分流測(cè)量的影響

　　圖 6 獲得可重復(fù)、可靠的雙脈沖測(cè)試結(jié)果的挑戰(zhàn)
　　圖 6：在 DPT 夾具上測(cè)量的示波器輸入中的時(shí)間偏差
　　結(jié)論
　　Keysight PD1500A 動(dòng)態(tài)功率器件分析儀/雙脈沖測(cè)試儀就是為解決這些測(cè)量難題而開發(fā)的。除了支持共模建議和模塊化鉗位電路外，我們還開發(fā)并實(shí)施了補(bǔ)償技術(shù)來解決我們提出的其他問題。具體來說，我們有一個(gè)軟件引導(dǎo)程序來調(diào)整示波器和探頭，以消除 DPT 夾具上的信號(hào)偏差。
　　此外，我們?cè)诠S中通過測(cè)量高達(dá) 400 MHz 的 S21 傳輸特性來表征我們系統(tǒng)中使用的每個(gè)分流電阻器。然后，我們補(bǔ)償該特定分流器的特性，從本質(zhì)上平坦頻率響應(yīng)并消除低帶寬分流器的失真。與許多 Keysight 解決方案一樣，我們提供自動(dòng)校準(zhǔn)程序。此軟件引導(dǎo)程序使用具有 100 nV 分辨率的精確源測(cè)量單元 (SMU) 作為內(nèi)部系統(tǒng)參考。
　　將每個(gè)示波器通道/探頭對(duì)范圍內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)與相應(yīng)的 SMU 參考值進(jìn)行比較。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，確定增益和偏移誤差并在系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)償，從而提供更高的精度和更可重復(fù)的結(jié)果。圖 7a 和 7b 說明了使用所述補(bǔ)償技術(shù)時(shí)對(duì) DPT 測(cè)量結(jié)果的可能影響。我們測(cè)量了 DPT 波形并從 SiC MOSFET（1200V，40A）中提取了 e(off)，工作條件相同（800V，30A，Rg=10Ω，室溫），有無補(bǔ)償?！　D 7a 顯示了未進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?DPT 波形和提取結(jié)果。正如我們所料，ID 中的振鈴以及因此產(chǎn)生的功率 (VDS * ID) 在這些波形中更加夸張，這無疑是由于較低的帶寬分流所致。結(jié)合其他潛在信號(hào)偏差和自動(dòng)校準(zhǔn)誤差，最終提取的 e(off) 結(jié)果為 218.50 μJ。將其與我們使用補(bǔ)償技術(shù)的圖 7b 進(jìn)行比較。振鈴減少，提取的 e(off) 結(jié)果為 296.60 μJ。對(duì)于此設(shè)備的 e(off)，PD1500A 測(cè)量技術(shù)消除了僅由不正確的測(cè)量科學(xué)造成的 26% 的誤差！

　　圖 7a 獲得可重復(fù)、可靠的雙脈沖測(cè)試結(jié)果的挑戰(zhàn)
　　圖 7a：E(off) 波形和無補(bǔ)償提取
　　圖 7b 獲得可重復(fù)、可靠的雙脈沖測(cè)試結(jié)果的挑戰(zhàn)
　　圖 7b：E(off) 波形和帶補(bǔ)償?shù)奶崛?br>　　Keysight 設(shè)計(jì)了 ??PD1500A 動(dòng)態(tài)功率器件分析儀，作為您信賴的 B1505A/B1506A 功率器件分析儀的補(bǔ)充動(dòng)態(tài)特性分析解決方案。我們專注于為基于 Si/SiC 的分立功率半導(dǎo)體提供可重復(fù)且可靠的動(dòng)態(tài) DPT 測(cè)量。我們將繼續(xù)在 DPT 解決方案的先進(jìn)測(cè)量技術(shù)方面進(jìn)行研發(fā)投資。敬請(qǐng)期待專注于分立 GaN 和 Si/SiC 功率模塊的新解決方案。