设计双脉冲测试系统以实现动态特征的相关性

在评估电源转换器设计的电源晶体管时，为应用程序选择合适的设备很重要。理想情况下，功率半导体供应商的数据表将提供一致的结果，使工程师能够比较动态参数。对于动态切换特性，这说起来容易做起来难。旨在表征宽带gap（WBG）功率晶体管的标准测试系统必须使寄生虫保持较小且从系统之间保持一致。本文在设计用于将多个测试系统之间的结果相关联的标准DPT系统时讨论了重要的考虑因素。

原则上，DPT设置很简单，如图1所示。测试工程师通常通过用二极管替换“高侧”晶体管来简化系统。但是，在仔细观察并考虑不断提高WBG设备的开关速度之后，系统中需要考虑许多重要的外部寄生组件（图2）。

DPT设置的简化图。

图1：DPT设置的简化图。

许多外部寄生虫，尤其是三个主要回路 - 电源回路，栅极环和直流链路循环 - 主要是因为它们引入了波形。我们在以前的文章中对此进行了详细的讨论。但是，寄生虫也极大地影响了提取的开关参数。外部影响，例如电源循环和栅极循环LSS共有的电感，外部栅极电阻RG，外栅极电感LG和负载电感寄生虫会影响功率半导体的开关速度。此外，测得的开关能量受当前分流器的载荷电感和寄生电感（LSHUNT）的寄生能力（CIND）的影响。

图2：具有一些重要的外部寄生虫的DPT设置

正如我们上一篇文章所讨论的那样，分流带宽对开关能量有重大影响。寄生元件在转启动过程中导致较高的测量电流峰，并放大测得的电流信号的所有高频成分。表征用于测量的分流有助于地降低Lshunt的影响，以便在适当补偿时不必考虑它以进行可比性。

功率半导体数据表显示了有关用于提取开关参数的DPT系统的几乎没有信息。除了测试参数（例如VDS，ID，VGS）外，通常还指定RG和LIND。所有这些参数都可以在系统中轻松控制和更改。

一些数据表还显示了负载电感器和总功率环电感的寄生电容（CIND）。 CIND是一个重要的参数，因为它与高侧设备并行引入了额外的电容。在上交期间，这种额外的电容会导致比设备的实际反恢复电流更高的测量峰值电流，从而增加了转盘期间的开关能量。灯具布局本身还可以引入具有相似效果且从未指定的寄生电容。可以在图3中看到此效果，显示了VD和ID的转式波形。具有较高电感器的测量值较高，较长且稍长于电流峰和延迟的降落边缘。这导致开关能量的增加为4.5％。因此，保持CIND并引入布局寄生能力很重要。

两种电感器之间的转式波形比较有不同的cind

图3：两个有不同CIND的电感器之间的转式波形比较

总功率循环电感很重要，因为它在i d的转盘边缘在i d的转盘边缘中产生了下垂，vds，vds，drop = lpowerloop·did/dt [1]

对于具有陡峭电流坡度的快速开关设备，这种电压下垂变得很重要，必须考虑进行上升时间计算。将功率循环电感分为其组件LS和LDS很重要，因为它们以不同的方式影响系统和测量结果。 LSS在栅极环中产生负反馈时会降低开关速度。这减慢了转交和关闭过渡的输出电流斜率。较慢的电流斜率也会减小铃声。相比之下，是所有信号（VD，ID，VGS）上响起的主要来源，但实际上对开关速度没有影响。重要的是要了解LSS和LD，因为它们的影响具有相反的影响。

在我们的上一篇文章中，我们还讨论了示波器输入时间偏斜的影响以及如何地减少它。信号偏斜对于依赖两个不同信号（例如开关能量和延迟时间）的参数很重要。考虑这些参数的探针位置很重要。可以将探针放置在接近测试的设备（DUT）的附近或远处，因此将痕量长度更改为探针。由于信号传播延迟，这会导致系统中的额外偏斜。一个简单的测试表明，将其位置更改为几厘米，导致延迟时间的变化增加了0.5 ns（图4）。对于延迟时间> 50 ns的较慢的开关设备，这可能并不重要。但是，新的，更快的设备显示延迟时间为5 ns或以下，转化为10％或更高的误差。

覆盖具有不同位置的v_gs探针（蓝色）的覆盖波形。

图4：覆盖的转式波形具有不同位置的V_GS探针（蓝色）。

设计DPT系统可比结果

目前，半导体制造商使用自制DPT系统来获取开关参数。但是，许多制造商无法将系统的结果与系统相关联。有两种方法可以在多个系统测试WBG功率晶体管之间获得可比较的结果。对于种方法，制造商对其DPT系统的寄生虫进行了特征，并将其纳入指定特征的测试条件。但是，很难知道并共享有关所有寄生虫（布局，电感器等）的信息。这并不容易，甚至可能以高精度测量其中一些寄生虫。即使所有条件都具有很高的精度并陈述，仍然很难量化这些寄生虫对结果的确切影响。

表1显示了一个简化的示例，说明了比较在两个不同DPT系统上获得的测量结果的难度。该示例仅显示一些测试条件。一个逼真的表显示所有必要的测试条件将列出更多参数。在相同的测试电压，电流和相同的栅极电阻值以相同的测试电压下测量两个设备，但在不同的DPT系统上测量。与设备B相比，设备A清楚地显示了转交和更高的开关能量。但是，如前所述，开关速度和能量的主要影响之一是LSS。与设备B的测试系统相比，用于表征设备A的测试系统具有更高的LSS。没有模拟和详细的分析，很难比较设备并知道哪种设备更快，并且在目标应用程序中消耗了更少的开关能量。

表1：简化的示例，显示了在不同测试系统上获得的可比数据的难度

由于难以测量所有寄生虫，并将它们的影响与获得的测量结果进行比较，因此我们必须研究另一种实现目标的方法。

获得可比结果的第二种方法是保持DPT寄生虫恒定，因此需要标准DPT系统。通过设计良好且易于使用的DPT系统将潜在的人为错误降至，所有寄生虫和其他影响因素仍然相对稳定。使用这样的标准系统获得多个设备的设备参数清楚，可以使供应商之间的设备更加容易。

必须解决几个问题以保持寄生虫的稳定，同时提供一个可靠且灵活的系统。在考虑DUT接口和栅极驱动程序连接时，将它们焊接在PCB上是可靠的方法。但是，工程师失去了灵活性。如果工程师想更改DUT或门电阻，则有必要将旧部分和焊料固定在新部分中。经过几次设备更改后，PCB可能会损坏，并且获得的测量结果不再可比。具有紧密插座类型连接器的特殊设计的DUT接口板使工程师无需焊接即可轻松更换晶体管（例如TO247软件包）。因此，一个DUT板可用于数千个插入（图5）。

标准TO247测试板，以提高设备和门驱动器更改的灵活性

获得门驱动器灵活性的一种简单方法是拥有一个可单独的可交换板（具有不同的值），可以将其插入同一DUT板。栅极驾驶员板允许与DUT板的重复且一致的连接。

不同门电阻器的理想情况是拥有一个带有可切换电阻器或可变电阻器的门驾驶员板。门环中引入开关会增加寄生门电感，因此不是。具有可变的整孔电阻的情况也是如此，因为寄生电感远高于表面载体电阻。此外，其处理太容易出错，因为可以轻松混合电阻器，从而导致测试结果文档故障。正确维护小且恒定的门和电源循环的实用方法是拥有具有可变标准的门驾驶员板的标准DUT板设计。这有助于在多个系统之间创建可比的结果。

从DC-LINK电容器银行到DUT，将寄生电感降至，LDCLINK1和LDCLINK2需要权衡。散装电容器很大，并且不可行，可以安装在DUT板上。将它们放在单独的主电容器板上，以使不同的DUT板（TO247-4，D2PAK-7等）更加灵活。但是，这增加了LDCLINK1和LDCLINK2。取而代之的是，每个DUT测试板都包括解耦电容器，以使电源循环尽可能小而不会失去灵活性。精心设计的解耦电容器值地减少了较大的LDClink值的影响。

在使栅极和功率回路常数中寄生电感后，剩下的影响因素是主要电感器本身。关于电感器有多种因素需要考虑。

电感器的布局或设计显然会影响其直流电阻和寄生能力。建议为每个系统使用相同的设计来创建可比的结果。

电感器周围产生磁场。系统中电感器位置的变化可能会导致对被诱导的磁场的不同影响。因此，重要的是要有固定的电感器位置。

电感器的电缆长度和电缆定位也增加了寄生虫。更长的电缆通常会导致更高的寄生虫。因此，可靠的系统需要电感器的固定定位和连接。优选地，用户不必执行任何更改即可在不同电感器值之间以及正常DPT或反向恢复测试之间切换。这样，可以实现不同系统上测量之间的可比性。