Tekfronix：功率半导体双脉冲测试分析操作指南（20页）.pdf

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1、功率半导体双脉冲测试分析操作指南功率半导体双脉冲测试分析操作指南|WWW.TEK.COM2引言在汽车和工业应用中，由于硅基半导体性能的局限性，功率电子中使用的半导体材料正逐渐从硅过渡到如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）这类宽禁带半导体。GaN和 SiC 支持更小、更快、更高效的设计。规制和经济压力持续促使高压功率电子设计的效率提高。在空间受限和/或移动应用（例如电动汽车）中，更小、更轻的设计的功率密度优势尤为明显，而从系统成本降低的角度来看，更紧凑的功率电子设备也普遍受到青睐。同时，随着政府推出财政激励措施和更严格的能效规定，效率的重要性日益增长。例如，欧盟的 Eco-design 指令、美

2、国能源部 2016 年效率标准、中国质量认证中心（CQC）标志等全球实体发布的指南，都在管理电气产品和设备的能效要求。从电力生成到消耗的各个阶段，功率电子都需要实现更高的能效，如图 1 所示。功率转换器在生成、传输和消耗链的多个阶段运作，由于这些操作没有一个是 100%高效的，因此每一步都会有一些功率损失。主要由于热能损失，这些效率的整体下降在整个周期中不断加剧。图 1：在生成、传输和消耗阶段的功率损失 1。设计功率转换器时，理想状态下的功率损失为 0%，如图 2 所示。图 2：理想的功率转换效率 1。然而，开关损耗是不可避免的。因此，目标是通过设计优化来最小化损失。与效率相关的设计参数必须经

3、过严格的测量。典型的转换器效率约为 87%到 90%，这意味着 10%到13%的输入功率在转换器内部消耗掉，大部分以废热的形式。这种损失的一大部分发生在开关设备如 MOSFET或 IGBT 上。2Power Generation(e.g.Photovoltaic or Wind)Substations andTransformersLosses atPre-TransmissionPower InverterLosses duringTransmission,includingVoltage ConversionLosses atPre-UseInverterEnd-Use Site(e.g.

4、Industrial Facility)IndustrialEquipmentPower losses(shown in blue)may reach 10%or more from point of generation to point of use.VinxIinPinSourceVoutxIoutPoutSwitching PowerConverterIn ideal(100%efficient)power conversion,PinPoutLoad功率半导体双脉冲测试分析操作指南3WWW.TEK.COM|理想情况下，开关设备只有“开”或“关”两种状态，如图 3 所示，并能瞬间在这两

5、种状态间切换。在“开”状态时，开关的阻抗为零欧姆，无论通过开关的电流有多大，都不会在开关中耗散任何功率。在“关”状态时，开关的阻抗为无限大，无电流流过，因此不耗散任何功率。然而，实际上在“开”到“关”（关断）和“关”到“开”（开通）的转换过程中会耗散功率。这些非理想行为是由于电路中的寄生元件造成的。如图 4 所示，门极上的寄生电容会减缓器件的切换速度，延长开通和关断时间。MOSFET的漏极和源极之间的寄生电阻在漏电流流动时会耗散功率。因此，设计工程师需要测量所有这些时间参数，以尽量减少切换损失，从而设计出更高效的转换器。首选的测试方法来测量 MOSFET 或 IGBT 的切换参数是“双脉冲测试

6、”方法。本应用说明将描述双脉冲测试及其实施方式。具体来说，本应用说明将解释如何使用Tektronix AFG31000 任意函数发生器生成脉冲，并使用 4、5 或 6 系列 MSO 示波器测量重要参数。图 3：理想的开关。还需要考虑 MOSFET 体二极管的反向恢复损失。二极管的反向恢复时间是衡量二极管切换速度的一个指标，因此会影响转换器设计中的切换损失。图 4：A:MOSFET 在 原 理 图 上 的 外 观。B:电 路 如 何 看 待MOSFET。什么是双脉冲测试？双脉冲测试是一种测量功率设备的切换参数和评估动态行为的方法。使用这种应用的用户通常希望测量以下切换参数：开通参数：开通延迟（t