確保SiC驗(yàn)證測試準(zhǔn)確度，有效測量碳化硅功率電子系統(tǒng)中的信號

SiC 正在被應(yīng)用到功率更高、電壓更高的設(shè)計(jì)中，比如電動(dòng)汽車(EV) 的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)汽車快速充電樁、車載和非車載充電器、風(fēng)能和太陽能逆變器和工控電源。

功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在轉(zhuǎn)向SiC 時(shí)，會面臨一些問題的挑戰(zhàn)：

• 測試設(shè)備能否準(zhǔn)確地測量 SiC 系統(tǒng)的快速開關(guān)動(dòng)態(tài)？

• 怎樣才能準(zhǔn)確地優(yōu)化門驅(qū)動(dòng)性能和空轉(zhuǎn)時(shí)間？

• 共模瞬態(tài)信號是否影響測量準(zhǔn)確度？

• 我看到的振鈴是真的嗎？還是探頭響應(yīng)結(jié)果？

對工程師來說，解決這些挑戰(zhàn)非常難。還有一點(diǎn)，工程師需要準(zhǔn)確地查看所有這些信號，才能及時(shí)做出正確的設(shè)計(jì)決策。提高設(shè)計(jì)裕量和過度設(shè)計(jì)，只會推動(dòng)成本上升，讓性能下降。使用適當(dāng)?shù)臏y量設(shè)備才是解決問題的關(guān)鍵。

時(shí)域測量和開關(guān)損耗計(jì)算的準(zhǔn)確度，受到用來采集測量數(shù)據(jù)的探頭的準(zhǔn)確度、帶寬和時(shí)延的影響。盡管這一討論的重點(diǎn)是示波器探頭之間的差異，但具體實(shí)現(xiàn)方式( 如布局、寄生信號和耦合) 也在測量準(zhǔn)確度中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。需要測量柵極電壓、漏極電壓、電流三個(gè)重要參數(shù)，才能正確驗(yàn)證采用SiC 技術(shù)的功率模塊。

柵極電壓測量
測量SiC 功率器件的柵極電壓極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗且环N低壓信號(~20 Vpp)，參考的節(jié)點(diǎn)相對于示波器接地可能會有高DC 偏置和高dv/dt。此外，最大的dv/dt 發(fā)生在開關(guān)事件過程中，這是測量柵極信號時(shí)最關(guān)心的時(shí)間。即使是器件源極連接到接地的拓?fù)渲校?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E8%B7%AF/">電路接地和示波器接地之間的寄生阻抗仍會由于快速瞬態(tài)信號而導(dǎo)致錯(cuò)誤讀數(shù)。這要求測量設(shè)備從接地反耦，要有非常大的共模抑制比。這種柵極電壓測量在傳統(tǒng)上采用標(biāo)準(zhǔn)差分探頭（圖1a），而最新的光隔離探頭，如IsoVu 探測系統(tǒng)（圖1b），則可以大大提高這種測量的準(zhǔn)確度。

圖1. （a）差分電壓探頭實(shí)例：泰克差分探頭THDP0200 探頭及附件；
（b）泰克lsoVu TIVP1 光隔離探頭(TIVPMX10X, ±50 V 傳感器尖端)。

圖2 比較了標(biāo)準(zhǔn)差分探頭與光隔離探頭進(jìn)行的高側(cè)柵極電壓測量。不管是關(guān)閉還是打開，在器件柵極經(jīng)過閾值區(qū)域后，柵極上都可以看到高頻振鈴。由于柵極和功率環(huán)路之間的耦合，預(yù)計(jì)會出現(xiàn)部分振鈴。但是，在差分探頭中，振鈴的幅度明顯要高于光隔離探頭測得的值。這可能是由于參考電壓變化在探頭內(nèi)部引起了共模電流及標(biāo)準(zhǔn)差分探頭的假信號。雖然圖2 中差分探頭測得的波形似乎通過了器件的最大柵極電壓，但光隔離探頭的測量準(zhǔn)確度要更高，明確顯示器件位于規(guī)范范圍內(nèi)。

圖2. 差分探頭( 藍(lán)色軌跡) 與IsoVu 光隔離探頭( 黃色軌跡) 對比。

使用標(biāo)準(zhǔn)差分探頭進(jìn)行柵極電壓測量的應(yīng)用工程師要注意，因?yàn)槠淇赡軈^(qū)分不了這里顯示的探頭和測量系統(tǒng)假信號與器件額定值實(shí)際違規(guī)。這種測量假信號可能會導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員提高柵極電阻，降慢開關(guān)瞬態(tài)信號，減少振鈴。但是，這不一定會提高SiC 器件的損耗。為此，使用的測量系統(tǒng)一定要能準(zhǔn)確地反映器件的實(shí)際動(dòng)態(tài)，以正確設(shè)計(jì)系統(tǒng)，優(yōu)化性能。

漏極電壓測量
在功率電子系統(tǒng)中，差分探頭和參考地電平探頭是兩種常用的電壓測量方法。差分探頭是一種流行的選擇，因?yàn)樗梢院翢o問題地添加到電路的任意節(jié)點(diǎn)中。而參考地電平探頭要注意實(shí)現(xiàn)方式，因?yàn)槠淦帘?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%BC%95%E8%84%9A/">引腳連接到示波器的接地上。參考地電平測量實(shí)現(xiàn)不正確，一般會導(dǎo)致探頭參考上出現(xiàn)小的接地電流，明顯降低測量的準(zhǔn)確度。這種效應(yīng)在SiC 設(shè)計(jì)中會更明顯，因?yàn)楦遜v/dt會給示波器探頭參考地電平引入寄生電流，導(dǎo)致測量誤差。在更嚴(yán)重的情況下( 參考地電平屏蔽層連接到功率信號時(shí))，大電流會流過接地，損壞探頭或示波器。在最壞的情況下，從儀器到接地的連接失敗會導(dǎo)致示波器的外部金屬殼浮動(dòng)到總線電壓，給操作人員的人身安全帶來嚴(yán)重威脅。

在使用參考地電平CVR 時(shí)，接地問題變得更加關(guān)鍵。如圖3 所示，在結(jié)合使用參考地電平探頭與CVR 時(shí)，有可能通過示波器屏蔽路徑繞過CVR。這會導(dǎo)致整個(gè)器件電流流過示波器，可能會損壞電壓探頭或示波器，也會帶來重大的人身安全隱患。一般來說，推薦使用差分探頭進(jìn)行器件漏極到源極測量。

圖3. 在兩只參考地電平的探頭連接到不同電壓的參考平面時(shí)，器件電流會旁路CVR，流經(jīng)地線和示波器。這會導(dǎo)致測量錯(cuò)誤，并可能會導(dǎo)致設(shè)備損壞。

電流測量
在功率電子系統(tǒng)中， 電流查看電阻器(CVR) 和Rogowski 線圈（圖4 a 和b）是兩種常用的電流測量方法。Rogowski 線圈是一種流行的選擇，因?yàn)樗梢院啽愕靥砑拥诫娐分?，是一種非侵入式測量，但這類探頭通常會有明顯的帶寬限制，不適合用于SiC。另一方面，CVRs 擁有極高的帶寬，可以進(jìn)行準(zhǔn)確的電流測量。遺憾的是，串聯(lián)晶體管時(shí)需要添加額外的器件要求謹(jǐn)慎規(guī)劃PCB 布線，因?yàn)樘砑覥VR 一般會提高電路中的寄生電感。

圖4 比較了Rogowski 線圈和CVR 測量的典型SiC 硬開關(guān)事件。Rogowski 線圈的帶寬明顯低得多，導(dǎo)致人為抑制試驗(yàn)波形中存在的振鈴。更重要的是，它會人為抑制初始過沖，對測量的di/dt 發(fā)出預(yù)警。

圖4. CVR 與Rogowski 電流探頭，CAB016M12FM3 (TJ = 25℃ , RG = 6.8, Vos= 600 V,Is = 100A)。

?

圖5. CVR 與Rogowski 電流探頭, CAB011M12FM3 (TJ= 150℃ , RG = 1W), VDS= 600 V, IS = 100A)。

圖5 在更加激進(jìn)的開關(guān)條件下比較了不同的探頭，比較中突出了兩個(gè)關(guān)心的點(diǎn)。第一，在關(guān)閉時(shí)，Rogowski 線圈不能充分捕獲電流波形的形狀，漏掉了輕微的膝部，會降低表面上的開關(guān)損耗。此外，打開時(shí)預(yù)測的di/dt 下降還會導(dǎo)致預(yù)測的開關(guān)損耗降慢。Rogowski 線圈帶寬下降的累積效應(yīng)，是估算的開關(guān)損耗降低。

圖6 直接比較了Wolfspeed WolfPACK?CAB011Ml2FM3 在漏極電流中估算的開關(guān)損耗。如上所述，Rogowski 線圈在預(yù)測時(shí)一直低估了電路的開關(guān)損耗，給人感覺電路損耗過于樂觀。由于不一致與探頭帶寬限制有關(guān)，所以它取決于晶體管的邊沿速率，在更激進(jìn)的柵極電阻時(shí)會進(jìn)一步提高。對低速開關(guān)技術(shù)( 如IGBTs)，計(jì)量差異可以忽略不計(jì)。

圖6. 使用不同探頭(CAB011M12FM3, TJ = 150℃ , RG= 1W) 估算開關(guān)損耗(Eoff + Eon)。

校正探頭時(shí)延
使用的探頭除了要有充足的帶寬和噪聲抑制功能外，還必須進(jìn)行時(shí)延校正，保證電壓信號和電流信號的時(shí)延匹配。電壓探頭和電流探頭時(shí)延不匹配哪怕只有1-2ns，就會導(dǎo)致30% 及以上的Eon 和Eoff 測量誤差。正確地進(jìn)行時(shí)延校正對SiC 系統(tǒng)中固有的快速開關(guān)瞬態(tài)信號至關(guān)重要。

在時(shí)延校正前，必要時(shí)要自動(dòng)清零和校準(zhǔn)探頭，消除任何偏置或定標(biāo)誤差。通過使用對稱連接把兩只探頭連接到一臺函數(shù)發(fā)生器上，可以校正電壓探頭VDS 和VGS 的時(shí)延。使用函數(shù)發(fā)生器生成的方波，檢查信號的振鈴和下降沿是否對齊。可以使用圖7 所示的電路板，簡便地連接函數(shù)發(fā)生器和任何電壓探頭。函數(shù)發(fā)生器信號連接到電路板中心，電路板邊緣周圍為示波器探頭連接提供了各種選項(xiàng)，可以適應(yīng)各種探頭接口。

圖7. 功率測量時(shí)延校正和校準(zhǔn)夾具(067-1686-00)7，可以補(bǔ)償電壓探頭和電流探頭之間的定時(shí)差。

有多種方法校正VDS 和ID 探頭時(shí)延，保證正確測量開關(guān)損耗。所有方法背后的原理都一樣，即要有一條測試電路，如圖7所示的夾具，盡可能接近純電阻電路，這樣電壓波形和電流波形就能對準(zhǔn)。然后可以使用這條測試電路校正電流探頭時(shí)延，與電壓探頭響應(yīng)相匹配。

SiC 電路級驗(yàn)證使用的探頭連接技術(shù)
在執(zhí)行柵極測量時(shí)，要認(rèn)真考慮連接選項(xiàng)，確保從功率轉(zhuǎn)換模塊中捕獲干凈的信號。鑒于這是在較高電壓下進(jìn)行的未接地測量，因此連接非常關(guān)鍵。有兩種主要連接方式：MMCX 為器件連接提供了一種模塊化預(yù)制件方法，方針則有一個(gè)連接器可以轉(zhuǎn)接到不同的PC 電路板實(shí)現(xiàn)方案。

MMCX 式傳感器尖端電纜( 高性能，高達(dá)250 V 應(yīng)用)
MMCX 連接器插到測試點(diǎn)附近時(shí)，IsoVu Gen 2 測量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)最好的性能。圖8 a 和 b 顯示了兩種不同的應(yīng)用。這些MMCX連接器提供了高信號保真度，固體金屬機(jī)身和黃金觸點(diǎn)提供了屏蔽精良的信號路徑。配對的MMCX 接口提供了卡接連接，擁有正向固定力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的免提連接能力。分離力為高壓應(yīng)用提供了安全穩(wěn)定的連接。MMCX連接器分成多種配置，可以轉(zhuǎn)接到許多應(yīng)用，即使電路板中沒有設(shè)計(jì)這種連接器也無妨。

圖8. MMCX 連接器 （a）實(shí)例1 （b）實(shí)例2

方針到MMCX 轉(zhuǎn)接頭
在不能使用MMCX 連接器時(shí)，可以轉(zhuǎn)接尖端電纜，適應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方針。泰克提供了探頭轉(zhuǎn)接頭，把傳感器尖端電纜連接到電路板的方針上。泰克提供了兩種不同間距的轉(zhuǎn)接頭：MMCX 到0.1 英寸(2.54 毫米)轉(zhuǎn)接頭和MMCX 到0.062 英寸(1.57 毫米) 轉(zhuǎn)接頭。轉(zhuǎn)接頭有一個(gè)MMCX 插座，用來連接IsoVu尖端電纜。轉(zhuǎn)接頭另一端有一個(gè)中心引腳插座，轉(zhuǎn)接頭外部周圍有4 個(gè)公共( 屏蔽) 插座。轉(zhuǎn)接頭上的凹槽可以用來固定屏蔽插座。在探頭尖端轉(zhuǎn)接頭靠近電路板時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最佳的電氣性能。

方針式傳感器尖端電纜
TIVP 系列(IsoVu Gen 2) 產(chǎn)品還包括方針式傳感器尖端電纜，可以實(shí)現(xiàn)更高的輸入差分電壓功能。這些尖端接口不僅連接簡便，而且連接牢固，在高壓環(huán)境中可以安全實(shí)現(xiàn)免提操作。方針式傳感器尖端電纜分成兩種：0.100? (2.54 mm) 間距，可以用于高達(dá)600V 的應(yīng)用；0.200? (5.08 mm) 間距， 可以用于高達(dá)2500 V 的應(yīng)用。

非預(yù)計(jì)的測試點(diǎn)
在理想情況下，測試點(diǎn)會提前規(guī)劃，并整合到柵極驅(qū)動(dòng)器或評測電路板中，如Wolfspeed KIT-CRDCIL12N-FMC Wolfpack 評測套件。在這種場景下，MMCX 連接器會提供最好的性能，如果關(guān)心的信號落在300Vpk 電壓額定值范圍內(nèi)，推薦使用MMCX連接器。

當(dāng)然，我們不能一直預(yù)測每個(gè)可能的測試點(diǎn)。在具體情況要求添加非預(yù)計(jì)的測試點(diǎn)時(shí)（如圖9 所示），應(yīng)根據(jù)以下指引確保最高的測量準(zhǔn)確度：

• 在電壓額定值允許時(shí)使用MMCX 連接器。

• 連接器位置要盡可能安全地靠近IC 或元器件。

• 同樣，任何要求的飛線要盡可能短或不用飛線。

• 使用熱熔膠、聚酰亞胺膠帶或類似東西機(jī)械加強(qiáng)連接器。

在實(shí)例中，電路板組裝后在VGS 測試點(diǎn)中添加了一個(gè)方針頭部。測試點(diǎn)使用非導(dǎo)電的熱熔膠加強(qiáng)，以增加強(qiáng)度。

圖9. 經(jīng)VGS 節(jié)點(diǎn)焊接方針頭部，測量高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)信號。

小結(jié)
總之，寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)將在功率轉(zhuǎn)換和能效的未來發(fā)展中發(fā)揮巨大的作用。與同等硅產(chǎn)品相比，SiC 開關(guān)更小，更快，效率更高。這些技術(shù)廣泛用于各種應(yīng)用中，從電動(dòng)汽車到光伏材料。因此，使用正確的工具測試這些技術(shù)變得非常重要，這樣設(shè)計(jì)人員才能正確設(shè)計(jì)、開發(fā)及整合到最終應(yīng)用中。

泰克系列解決方案發(fā)揮著關(guān)鍵作用。IsoVu? 隔離探測系統(tǒng)提供了浮動(dòng)的非參考地電平的差分探測體驗(yàn)，特別適合柵極測量需求，其帶寬從200 MHz 到1 GHz，擁有各種探測尖端，在需要時(shí)可以衰減支持電壓更高的信號。5 系MSO 示波器是高分辨率(12 位) 示波器，特別適合測試存在高得多的電壓時(shí)的小電壓；8 條通道可以同時(shí)查看更多的定時(shí)信號，優(yōu)化性能，考察大量信號之間的關(guān)聯(lián)性。5-PWR 軟件旨在5 系MSO 示波器上運(yùn)行自動(dòng)的、準(zhǔn)確的、可重復(fù)的功率完整性測量，包括實(shí)際工作條件下的開關(guān)損耗、傳導(dǎo)損耗、RDS_ON、磁性損耗、SOA 等等。

作者：泰克科技