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(yáng)能逆變器和工控電源。

SiC測(cè)試挑戰(zhàn)

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

﹒測(cè)試設(shè)備能否準(zhǔn)確地測(cè)量SiC系統(tǒng)的快速開(kāi)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(hào)是否影響測(cè)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(duì)工程師來(lái)說(shuō)，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(hào)，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(guò)度設(shè)計(jì)，只會(huì)推動(dòng)成本上升，讓性能下降。使用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量設(shè)備才是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

重點(diǎn)介紹

時(shí)域測(cè)量和開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算的準(zhǔn)確度，受到用來(lái)采集測(cè)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(hào)和耦合) 也在測(cè)量準(zhǔn)確度中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。需要測(cè)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(cè)量

測(cè)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(hào)(~20 Vpp)，參考的節(jié)點(diǎn)相對(duì)于示波器接地可能會(huì)有高DC 偏置和高dv/dt。此外，最大的dv/dt 發(fā)生在開(kāi)關(guān)事件過(guò)程中，這是測(cè)量柵極信號(hào)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?，電路接地和示波器接地之間的寄生阻抗仍會(huì)由于快速瞬態(tài)信號(hào)而導(dǎo)致錯(cuò)誤讀數(shù)。這要求測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)（圖1b），則可以大大提高這種測(cè)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, ±50V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(cè)量。不管是關(guān)閉還是打開(kāi)，在器件柵極經(jīng)過(guò)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(huì)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(cè)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(hào)。雖然圖2 中差分探頭測(cè)得的波形似乎通過(guò)了器件的最大柵極電壓，但光隔離探頭的測(cè)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(duì)比。

使用標(biāo)準(zhǔn)差分探頭進(jìn)行柵極電壓測(cè)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(cè)量系統(tǒng)假信號(hào)與器件額定值實(shí)際違規(guī)。這種測(cè)量假信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員提高柵極電阻，降慢開(kāi)關(guān)瞬態(tài)信號(hào)，減少振鈴。但是，這不一定會(huì)提高SiC 器件的損耗。為此，使用的測(cè)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(cè)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(cè)量方法。差分探頭是一種流行的選擇，因?yàn)樗梢院翢o(wú)問(wèn)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)槠淦帘我_連接到示波器的接地上。參考地電平測(cè)量實(shí)現(xiàn)不正確，一般會(huì)導(dǎo)致探頭參考上出現(xiàn)小的接地電流，明顯降低測(cè)量的準(zhǔn)確度。

這種效應(yīng)在SiC 設(shè)計(jì)中會(huì)更明顯，因?yàn)楦遜v/dt會(huì)給示波器探頭參考地電平引入寄生電流，導(dǎo)致測(cè)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(hào)時(shí))，大電流會(huì)流過(guò)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(huì)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(lái)嚴(yán)重威脅。