有效測(cè)量碳化硅信號(hào)

碳化硅（SiC）技術(shù)已超越傳統(tǒng)的硅（Si）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）應(yīng)用，因?yàn)樗哂写蠊β氏到y(tǒng)的主要熱和電氣優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括更高的開(kāi)關(guān)頻率、更高的功率密度、更好的工作溫度、更高的電流/電壓能力以及整體更好的可靠性和效率。SiC器件正在迅速取代基于硅的組件和模塊，作為系統(tǒng)升級(jí)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新選擇。

碳化硅（SiC）技術(shù)已超越傳統(tǒng)的硅（Si）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）應(yīng)用，因?yàn)樗哂写蠊β氏到y(tǒng)的主要熱和電氣優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括更高的開(kāi)關(guān)頻率、更高的功率密度、更好的工作溫度、更高的電流/電壓能力以及整體更好的可靠性和效率。SiC器件正在迅速取代基于硅的組件和模塊，作為系統(tǒng)升級(jí)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新選擇。
借助 WolfPACK 系列壓接引腳、無(wú)底板模塊，設(shè)計(jì)人員可以隨時(shí)進(jìn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 SiC 升級(jí)，用于提高系統(tǒng)可靠性同時(shí)降低 BOM 和維護(hù)成本的設(shè)計(jì)。
SiC器件市場(chǎng)涵蓋廣泛的功率和應(yīng)用（電動(dòng)汽車(chē)充電，太陽(yáng)能和風(fēng)能等能量收集，電源逆變器，工業(yè)電源，數(shù)據(jù)中心）。在低端 （1–50 kW），分立式 MOSFET 有助于最大限度地提高拓?fù)潇`活性，實(shí)現(xiàn)多源功能，并最大限度地降低總 BOM 成本。對(duì)于中等功率范圍（20–150 kW），WolfPACK 系列功率模塊提供行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝，可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，并且仍然提供靈活的解決方案和拓?fù)洹Ｔ诟叨耍?50-600 kW+），存在高功率模塊，例如XM3系列，可以擴(kuò)展以滿足各種直流母線配置的高功率需求。
與大多數(shù)應(yīng)用程序一樣，需要在開(kāi)發(fā)過(guò)程中動(dòng)態(tài)表征和測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)量關(guān)鍵信號(hào)和參數(shù)，然后調(diào)整布局和組件，設(shè)計(jì)人員可以充分利用這些高性能SiC的優(yōu)勢(shì)，并生成更可靠、更高效的系統(tǒng)。對(duì)于來(lái)自低電壓和低速硅器件的工程師來(lái)說(shuō)，測(cè)量和優(yōu)化某些特性（如柵極驅(qū)動(dòng)性能、開(kāi)關(guān)能量和損耗、死區(qū)時(shí)間、振鈴/振蕩和效率）可能具有挑戰(zhàn)性。重要的是，用于驗(yàn)證/確認(rèn)以量化和鑒定數(shù)據(jù)的設(shè)備和測(cè)量方法必須準(zhǔn)確，并且足夠快，以跟上高開(kāi)關(guān)速度。
本文將重點(diǎn)介紹測(cè)量SiC相關(guān)信號(hào)的方法，并推薦相關(guān)設(shè)備，同時(shí)演示W(wǎng)olfspeed的CAB011MI2FM3半橋功率模塊的示例。
通過(guò)柵極和漏極電壓測(cè)量進(jìn)行碳化硅驗(yàn)證
MOSFET 開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)測(cè)量有三個(gè)主要領(lǐng)域，可以正確驗(yàn)證器件：柵極-源極電壓 （VGS）、漏源電壓（VDS） 和電流。根據(jù)這些參數(shù)，工程師可以確定（和優(yōu)化）能量和開(kāi)關(guān)損耗、柵極特性和穩(wěn)定性、定時(shí)/開(kāi)關(guān)速度以及過(guò)沖/振鈴。
測(cè)量SiC功率器件的柵極電壓具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗且粋€(gè)低壓信號(hào)，通常以節(jié)點(diǎn)為參考，相對(duì)于示波器接地可能具有高直流失調(diào)和高dV/dt。由于電路接地和示波器/探頭接地之間的寄生阻抗，快速瞬變可能會(huì)引入錯(cuò)誤讀數(shù)，因此需要與地解耦并具有大共模抑制比的器件。較新的光隔離探頭（如圖2所示）可以比現(xiàn)有的差分探頭更準(zhǔn)確地捕獲柵極電壓測(cè)量值。
將光隔離探頭與更傳統(tǒng)的差分探頭進(jìn)行比較時(shí)，由于基準(zhǔn)電壓的變化在探頭內(nèi)感應(yīng)共模電流，柵極差分探頭上的振鈴?fù)ǔＲ嗟枚?。這可能會(huì)使設(shè)計(jì)人員在嘗試區(qū)分可歸因于被測(cè)器件的行為與探頭本身的偽影時(shí)變得困難。如果誤解，測(cè)量偽影可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員增加?xùn)艠O電阻，以減慢開(kāi)關(guān)速度并減少振鈴。柵極上的錯(cuò)誤測(cè)量通常需要顯著降低dV/dt才能消除，從而大大增加損耗，而沒(méi)有實(shí)際好處?？梢岳斫獾氖?，確保電壓探頭準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)至關(guān)重要。
圖3顯示了差分探頭和測(cè)量柵極電壓的光隔離探頭的比較。從波形來(lái)看，標(biāo)準(zhǔn)差分探頭引入了實(shí)際上不存在的額外振鈴和振蕩。光學(xué)隔離探頭表現(xiàn)出更清晰的行為，從而能夠更好地了解設(shè)備動(dòng)態(tài)。

圖 3：用于 MOSFET 柵極電壓的差分探頭（藍(lán)色）與 IsoVu 光隔離探頭（黃色）

然而，使用差分探頭有一些好處，例如跨電路的任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)使用漏源電壓探頭時(shí)，必須以防止多個(gè)接地點(diǎn)的方式參考系統(tǒng)。圖4顯示了一個(gè)接地參考探頭，該探頭將其屏蔽連接到示波器的接地。這可能導(dǎo)致探頭參考上的接地電流很小，并降低測(cè)量精度。在SiC設(shè)計(jì)中，對(duì)于高dV/dt，由于寄生電流在示波器探頭接地參考中流動(dòng)，這種效應(yīng)可能會(huì)加劇。
使用電流觀察電阻（CVR）時(shí)，設(shè)置接地變得更加重要。如果在不考慮CVR的情況下直接測(cè)量VDS，則由于相對(duì)于示波器的多個(gè)參考點(diǎn)，可能會(huì)引入意外行為。如果重新定位CVR，使其參考點(diǎn)與VDS測(cè)量的參考點(diǎn)對(duì)齊（提供反轉(zhuǎn)信號(hào)，可通過(guò)示波器進(jìn)行調(diào)整），則將消除接地環(huán)路，從而提高精度。
有關(guān)探頭接地不良的示意圖，請(qǐng)參見(jiàn)圖5。在此圖中，兩個(gè)以地為參考的探頭連接到不同電壓電平的基準(zhǔn)電壓源。這會(huì)導(dǎo)致器件電流繞過(guò)CVR并流過(guò)接地引線和示波器，從而導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤并可能損壞設(shè)備。通常，建議使用差分探頭測(cè)量漏源電壓，因?yàn)樗鼈兿舜蠖鄶?shù)接地問(wèn)題。

圖 5：漏源到源極測(cè)量的探頭接地不正確的示例

如上圖所示，CVR可用于對(duì)MOSFET進(jìn)行電流測(cè)量。測(cè)量電流的另一種方法是使用羅氏線圈，因?yàn)樗梢院苋菀椎匾苑乔秩胄苑绞教砑拥诫娐分小ogowski線圈的缺點(diǎn)是它們通常具有明顯的帶寬限制，由于快速切換，通常不適合基于SiC的測(cè)量。
圖6顯示了羅氏線圈帶寬的限制以及它如何影響測(cè)量的開(kāi)關(guān)能量。CVR 提供高帶寬和精確的電流測(cè)量，但它們也有其自身的一系列挑戰(zhàn)。這包括需要額外的串聯(lián)元件，這可能需要在PCB布局期間進(jìn)行仔細(xì)規(guī)劃，并從PCB增加不需要的寄生電感。在表征SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)行為時(shí)，了解探頭的局限性非常重要。了解所用探頭的適當(dāng)頻率范圍和用例將有助于確保在正確的情況下使用正確的探頭。如前所述，羅氏線圈在插入高頻電源環(huán)路時(shí)會(huì)少報(bào)開(kāi)關(guān)損耗，但它們是測(cè)量相位/電感電流的絕佳探頭。另一方面，CVR不是嘗試表征逆變器輸出電流的最佳選擇，因?yàn)樗y以插入，穩(wěn)態(tài)電流限制和缺乏隔離。

圖 6：激進(jìn)開(kāi)關(guān)條件下探頭（CVR 與羅氏線圈）的比較

探頭去偏斜和連接技術(shù)的重要性
除了使用具有足夠帶寬和噪聲抑制的探頭外，還必須及時(shí)糾偏探頭，以確保電壓和電流信號(hào)具有匹配的延遲。如果不進(jìn)行去偏斜，錯(cuò)誤的測(cè)量會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)能量計(jì)算誤差超過(guò)30%。在去偏斜之前，重要的是自動(dòng)歸零并根據(jù)需要校準(zhǔn)探頭。
通過(guò)將V DS和VGS的電壓探頭連接到函數(shù)發(fā)生器并使用方波檢查電流、柵極電壓和漏極電壓信號(hào)的上升沿和下降沿是否對(duì)齊，可以對(duì)這兩個(gè)探頭進(jìn)行去偏斜。該過(guò)程也可以與使用測(cè)試電路板（測(cè)試夾具）的電流探頭一起執(zhí)行，以補(bǔ)償兩個(gè)探頭之間的時(shí)序差異。圖7顯示了這種電路板的示例。
在 執(zhí)行 柵 極 測(cè)量 時(shí)， 必須 考慮 從 功率 轉(zhuǎn)換 模 塊 捕獲 的 信號(hào) 的 連接 性 和 清潔 度。MMCX提供了一種模塊化的預(yù)制器件連接方法，而方形引腳方法具有一個(gè)適用于不同PCB實(shí)現(xiàn)的連接器。
MMCX 連接器符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提供高保真度和良好的屏蔽接地路徑。為了獲得最佳性能，連接器應(yīng)盡可能靠近被測(cè)電壓節(jié)點(diǎn)插入。當(dāng) MMCX 連接器不可用時(shí)，下一個(gè)最佳方法是使用可以適應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方形引腳的尖端電纜。上圖所示的適配器具有用于連接到IsoVu探頭尖端的MMCX插孔，當(dāng)探針尖端適配器盡可能靠近電路板時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最佳性能。
TIVP 系列探頭還提供方形引腳式 0.100“ 間距適配器，能夠測(cè)量大差分電壓，并為免提操作提供簡(jiǎn)單、安全的連接。
理想情況下，測(cè)試點(diǎn)是預(yù)先確定的，并集成到柵極驅(qū)動(dòng)器或評(píng)估板的PCB布局中，例如Wolfspeed KIT-CRD-CIL12N-FMC。當(dāng)沒(méi)有足夠的測(cè)試點(diǎn)可用但需要連接到信號(hào)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可以通過(guò)以下程序/指南添加計(jì)劃外測(cè)試點(diǎn)：
在額定電壓允許的情況下使用 MMCX 連接器。
將連接器放置在盡可能靠近 IC 或組件的位置。
保持任何所需的飛線短或不存在。
使用非導(dǎo)電熱膠、Kapton 膠帶或類(lèi)似材料機(jī)械加固連接器
結(jié)論
總而言之，與傳統(tǒng)硅組件相比，SiC技術(shù)推動(dòng)電力電子系統(tǒng)更小、更快、更高效。從電動(dòng)汽車(chē)充電和太陽(yáng)能等環(huán)保行業(yè)到高功率逆變器和數(shù)據(jù)中心，應(yīng)用范圍廣泛，正確測(cè)試和表征不僅要確?？煽啃裕€要充分利用SiC實(shí)現(xiàn)的效率和功率密度，因此變得非常重要。
IsoVu 隔離式探測(cè)系統(tǒng)提供浮動(dòng)、非接地差分探測(cè)體驗(yàn)，非常適合柵極測(cè)量，而 5 系列 MSO 示波器是一種高分辨率示波器，非常適合在存在更高電壓的情況下測(cè)試小電壓。測(cè)量漏源電壓時(shí)，請(qǐng)確保接地不會(huì)導(dǎo)致寄生電流回流到探頭中。
考慮CVR和羅氏線圈在測(cè)量電流方面的區(qū)別，以及開(kāi)關(guān)條件如何導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。驗(yàn)證探頭是否正確去偏斜，以確保電壓和電流信號(hào)具有匹配的延遲。提供參考設(shè)計(jì)和評(píng)估套件以幫助指導(dǎo)工程師完成設(shè)計(jì)過(guò)程，而 5-PWR 等軟件套件設(shè)計(jì)用于在 5 系列 MSO 示波器上運(yùn)行自動(dòng)化、準(zhǔn)確且可重復(fù)的功率測(cè)量。