功率半導體動態性能測試解決方案

功率變換器是電能利用的重要裝置，在生產和生活中發揮著重要作用。功率變換器的核心是功率半導體器件，很大程度上決定了功率變換器的性能。經過近幾十年的發展，功率半導體器件已經形成了覆蓋幾伏到幾千伏、幾安到幾千安的龐大家族，常用的功率半導體器件類型包括MOSFET、IGBT、二極管等。

大部分功率器件是基于Si半導體材料的，其特性已接近理論極限，成為功率變換器發展的瓶頸。與Si功率器件相比，SiC功率器件具有更高的開關速度、能夠工作在更高的結溫下、可以同時實現高電壓和大電流。這些特性能夠顯著提升功率變換器的性能，獲得更高的電能轉換效率、實現更高的功率密度、降低系統成本。SiC功率器件適合應用于汽車牽引逆變器、電動汽車車載充電機、電動汽車充電樁、光伏、不間斷電源系統、能源儲存以及工業電源等領域。目前、國內外SiC產業鏈逐漸成熟，主流功率半導體器件廠商都已經推出了SiC功率器件產品，成本也不斷下降，SiC功率器件的應用正處于爆發式增長中。

測試需求

功率半導體動態參數測試（以半橋電路為基礎已經發展出了一套完善的開關管開關特性評估方法，雙脈沖測試）是功率半導體研發與應用中的核心評估工具，不僅提供關鍵動態參數，還通過模擬實際工況揭示器件的潛在風險與優化方向。以SiC和GaN為代表的第三代半導體的快速發展和應用給新能源汽車行業、電源行業等帶來顛覆性的變化，也給設計工程師帶來了非常大的測試挑戰。如何保證選用的高速功率器件能穩定可靠的運行在自己的產品中，需要了解功率器件的動態特性。

測試目的

1、測量關鍵動態參數。測量開關損耗、開關時間、反向恢復特性等動態參數，用于優化系統效率、評估器件響應速度、判斷其在換流過程中的安全裕量。

2、驗證驅動電路設計。評估柵極驅動電阻的合理性，優化驅動信號上升/下降斜率以減少開關震蕩。測試驅動芯片的保護功能是否有效。

3、對比器件性能。在不同的電壓、電流、溫度條件下測試，對比不同材料（Si IGBT和SiC MOSFET）或不同廠商器件的性能差異，支持選型決策。

4、分析寄生參數影響。

5、評估極端工況下的可靠性。

測試原理

如圖1所示，以SiC MOSFET為例。雙脈沖測試電路由母線電容CBus、被測開關管QL、陪測二極管VDH、驅動電路和負載電感L組成。測試中，向QL發送雙脈沖驅動信號，就可以獲得QL在指定電壓和電流下的開關特性。實際功率變換器的換流模式有MOS-二極管和MOS-MOS兩種形式，進行脈沖測試時需要選擇與實際變換器相同的形式和器件。對于MOS-MOS形式，只需要將二極管VDH換成SiC MOSFET QH，并在測試中一直施加關斷信號即可。在測試二極管反向恢復特性時，被測管為下管，負載電感并聯在其兩端，陪測管為上管，測試中進行開通關斷動作，如圖2所示。在整個測試中，QL進行了兩次開通和關斷，形成了兩個脈沖，測量并保留QL的VGS、VDS、IDS波形，就可以對其第一次關斷和第二次開通時動態特性進行分析和評估了。

典型應用場景

1、電動汽車驅動系統：驗證逆變器中IGBT/SiC模塊的開關損耗和熱穩定性。

2、可再生能源：測試光伏逆變器和儲能變流器（PCS）的功率器件在高頻開關下的可靠性。

3、工業變頻器：評估電機驅動電路中器件的動態響應和電壓應力。

4、開關電源：優化高頻DC-DC變換器的效率與EMI特性。

測試平臺搭建

RIGOL功率半導體動態參數測試方案，支持單脈沖、雙脈沖及多脈沖測試，集成了示波器、信號發生器、低壓直流電源、高壓直流電源、電壓電流探頭和軟件。測試項目包括關斷參數、開通參數和反向恢復參數。具體有關斷延遲td(off))、下降時間tf、關斷時間toff、關斷能量損耗Eoff、開通延遲td(on)、上升時間tr、開通時間ton、開通能量損耗Eon、反向恢復時間trr、反向恢復電流Irr、反向恢復電荷Qrr、反向恢復能量Err、電壓變化率dv/dt和電流變化率di/dt等。

圖3 雙脈沖測試平臺結構

圖4 雙脈沖測試桌面系統

圖5 下降時間測試Toff

圖6 關斷損耗Eoff

1、DG5000 Pro產生雙脈沖驅動信號；

2、光隔離探頭準確測試開關管柵極電壓Vgs和陪測管柵極串擾信號，也可用于測量柵極電荷；

3、MHO5106示波器捕獲電壓電流波形并計算。

方案特點

1、可靠、可重復地測試IGBT及MOSFET（包括第三代半導體器件SiC、GaN）功率半導體動態特性；

2、測量的特性參數包括開啟、關斷、開關切換、反向恢復、柵極驅動、開關損耗等參數；

3、支持客戶自定義夾具；

4、使用普源示波器和探頭，可準確補償探頭時間延遲，專用的開關損耗算法，提供可靠的測試結果；

5、獨特的光隔離探頭，最高1GHz帶寬高達180dB共模抑制比，準確測試驅動信號的真實情況。

方案配置