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確保測試準確度,有效測量碳化硅功率電子系統中的信號

2021-07-13 來源:EEWORLD

SiC 正在被應用到功率更高、電壓更高的設計中,比如電動汽車(EV) 的馬達驅動器、電動汽車快速充電樁、車載和非車載充電器、風能和太陽能逆變器和工控電源。


功率系統設計人員在轉向SiC 時,會面臨一些問題的挑戰:


?測試設備能否準確地測量 SiC 系統的快速開關動態?

?怎樣才能準確地優化門驅動性能和空轉時間?

?共模瞬態信號是否影響測量準確度?

?我看到的振鈴是真的嗎?還是探頭響應結果?


對工程師來說,解決這些挑戰非常難。還有一點,工程師需要準確地查看所有這些信號,才能及時做出正確的設計決策。提高設計裕量和過度設計,只會推動成本上升,讓性能下降。使用適當的測量設備才是解決問題的關鍵。


時域測量和開關損耗計算的準確度,受到用來采集測量數據的探頭的準確度、帶寬和時延的影響。盡管這一討論的重點是示波器探頭之間的差異,但具體實現方式( 如布局、寄生信號和耦合) 也在測量準確度中發揮著關鍵作用。需要測量柵極電壓、漏極電壓、電流三個重要參數,才能正確驗證采用SiC 技術的功率模塊。


柵極電壓測量


測量SiC 功率器件的柵極電壓極具挑戰性,因為它是一種低壓信號(~20 Vpp),參考的節點相對于示波器接地可能會有高DC 偏置和高dv/dt。此外,最大的dv/dt 發生在開關事件過程中,這是測量柵極信號時最關心的時間。即使是器件源極連接到接地的拓撲中,電路接地和示波器接地之間的寄生阻抗仍會由于快速瞬態信號而導致錯誤讀數。這要求測量設備從接地反耦,要有非常大的共模抑制比。這種柵極電壓測量在傳統上采用標準差分探頭(圖1a),而最新的光隔離探頭,如IsoVu 探測系統(圖1b),則可以大大提高這種測量的準確度。

  

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圖1. (a)差分電壓探頭實例:泰克差分探頭THDP0200 探頭及附件;

(b)泰克lsoVu TIVP1 光隔離探頭(TIVPMX10X, ±50 V 傳感器尖端)。


圖2 比較了標準差分探頭與光隔離探頭進行的高側柵極電壓測量。不管是關閉還是打開,在器件柵極經過閾值區域后,柵極上都可以看到高頻振鈴。由于柵極和功率環路之間的耦合,預計會出現部分振鈴。但是,在差分探頭中,振鈴的幅度明顯要高于光隔離探頭測得的值。這可能是由于參考電壓變化在探頭內部引起了共模電流及標準差分探頭的假信號。雖然圖2 中差分探頭測得的波形似乎通過了器件的最大柵極電壓,但光隔離探頭的測量準確度要更高,明確顯示器件位于規范范圍內。


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圖2. 差分探頭( 藍色軌跡) 與IsoVu 光隔離探頭( 黃色軌跡) 對比。


使用標準差分探頭進行柵極電壓測量的應用工程師要注意,因為其可能區分不了這里顯示的探頭和測量系統假信號與器件額定值實際違規。這種測量假信號可能會導致設計人員提高柵極電阻,降慢開關瞬態信號,減少振鈴。但是,這不一定會提高SiC 器件的損耗。為此,使用的測量系統一定要能準確地反映器件的實際動態,以正確設計系統,優化性能。

漏極電壓測量


在功率電子系統中,差分探頭和參考地電平探頭是兩種常用的電壓測量方法。差分探頭是一種流行的選擇,因為它可以毫無問題地添加到電路的任意節點中。而參考地電平探頭要注意實現方式,因為其屏蔽引腳連接到示波器的接地上。參考地電平測量實現不正確,一般會導致探頭參考上出現小的接地電流,明顯降低測量的準確度。這種效應在SiC 設計中會更明顯,因為高dv/dt會給示波器探頭參考地電平引入寄生電流,導致測量誤差。在更嚴重的情況下( 參考地電平屏蔽層連接到功率信號時),大電流會流過接地,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導致示波器的外部金屬殼浮動到總線電壓,給操作人員的人身安全帶來嚴重威脅。


在使用參考地電平CVR 時,接地問題變得更加關鍵。如圖3 所示,在結合使用參考地電平探頭與CVR 時,有可能通過示波器屏蔽路徑繞過CVR。這會導致整個器件電流流過示波器,可能會損壞電壓探頭或示波器,也會帶來重大的人身安全隱患。一般來說,推薦使用差分探頭進行器件漏極到源極測量。


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圖3. 在兩只參考地電平的探頭連接到不同電壓的參考平面時,器件電流會旁路CVR,流經地線和示波器。這會導致測量錯誤,并可能會導致設備損壞。


電流測量


在功率電子系統中, 電流查看電阻器(CVR) 和Rogowski 線圈(圖4 a 和b)是兩種常用的電流測量方法。Rogowski 線圈是一種流行的選擇,因為它可以簡便地添加到電路中,是一種非侵入式測量,但這類探頭通常會有明顯的帶寬限制,不適合用于SiC。另一方面,CVRs 擁有極高的帶寬,可以進行準確的電流測量。遺憾的是,串聯晶體管時需要添加額外的器件要求謹慎規劃PCB 布線,因為添加CVR 一般會提高電路中的寄生電感。


圖4 比較了Rogowski 線圈和CVR 測量的典型SiC 硬開關事件。Rogowski 線圈的帶寬明顯低得多,導致人為抑制試驗波形中存在的振鈴。更重要的是,它會人為抑制初始過沖,對測量的di/dt 發出預警。

 

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圖4. CVR 與Rogowski 電流探頭,CAB016M12FM3 (TJ = 25℃ , RG = 6.8, Vos= 600 V,Is = 100A)。

 

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圖5. CVR 與Rogowski 電流探頭, CAB011M12FM3 (TJ= 150℃ , RG = 1W), VDS= 600 V, IS = 100A)。


圖5 在更加激進的開關條件下比較了不同的探頭,比較中突出了兩個關心的點。第一,在關閉時,Rogowski 線圈不能充分捕獲電流波形的形狀,漏掉了輕微的膝部,會降低表面上的開關損耗。此外,打開時預測的di/dt 下降還會導致預測的開關損耗降慢。Rogowski 線圈帶寬下降的累積效應,是估算的開關損耗降低。


圖6 直接比較了Wolfspeed WolfPACK?CAB011Ml2FM3 在漏極電流中估算的開關損耗。如上所述,Rogowski 線圈在預測時一直低估了電路的開關損耗,給人感覺電路損耗過于樂觀。由于不一致與探頭帶寬限制有關,所以它取決于晶體管的邊沿速率,在更激進的柵極電阻時會進一步提高。對低速開關技術( 如IGBTs),計量差異可以忽略不計。

 

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圖6. 使用不同探頭(CAB011M12FM3, TJ = 150℃ , RG= 1W) 估算開關損耗(Eoff + Eon)。


頭時延使用的探頭除了要有充足的帶寬和噪聲抑制功能外,還必須進行時延校正,保證電壓信號和電流信號的時延匹配。電壓探頭和電流探頭時延不匹配哪怕只有1-2ns,就會導致30% 及以上的Eon 和Eoff 測量誤差。正確地進行時延校正對SiC 系統中固有的快速開關瞬態信號至關重要。


在時延校正前,必要時要自動清零和校準探頭,消除任何偏置或定標誤差。通過使用對稱連接把兩只探頭連接到一臺函數發生器上,可以校正電壓探頭VDS 和VGS 的時延。使用函數發生器生成的方波,檢查信號的振鈴和下降沿是否對齊。可以使用圖7 所示的電路板,簡便地連接函數發生器和任何電壓探頭。函數發生器信號連接到電路板中心,電路板邊緣周圍為示波器探頭連接提供了各種選項,可以適應各種探頭接口。


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圖7. 功率測量時延校正和校準夾具(067-1686-00)7,可以補償電壓探頭和電流探頭之間的定時差。


有多種方法校正VDS 和ID 探頭時延,保證正確測量開關損耗。所有方法背后的原理都一樣,即要有一條測試電路,如圖7所示的夾具,盡可能接近純電阻電路,這樣電壓波形和電流波形就能對準。然后可以使用這條測試電路校正電流探頭時延,與電壓探頭響應相匹配。


SiC 電路級驗證使用的探頭連接技術


在執行柵極測量時,要認真考慮連接選項,確保從功率轉換模塊中捕獲干凈的信號。鑒于這是在較高電壓下進行的未接地測量,因此連接非常關鍵。有兩種主要連接方式:MMCX 為器件連接提供了一種模塊化預制件方法,方針則有一個連接器可以轉接到不同的PC 電路板實現方案。


MMCX 式傳感器尖端電纜( 高性能,高達250 V 應用)


MMCX 連接器插到測試點附近時,IsoVu Gen 2 測量系統可以實現最好的性能。圖8 a 和 b 顯示了兩種不同的應用。這些MMCX連接器提供了高信號保真度,固體金屬機身和黃金觸點提供了屏蔽精良的信號路徑。配對的MMCX 接口提供了卡接連接,擁有正向固定力,實現穩定的免提連接能力。分離力為高壓應用提供了安全穩定的連接。MMCX連接器分成多種配置,可以轉接到許多應用,即使電路板中沒有設計這種連接器也無妨。

  

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圖8. MMCX 連接器 (a)實例1 (b)實例2


方針到MMCX 轉接頭


在不能使用MMCX 連接器時,可以轉接尖端電纜,適應行業標準方針。泰克提供了探頭轉接頭,把傳感器尖端電纜連接到電路板的方針上。泰克提供了兩種不同間距的轉接頭:MMCX 到0.1 英寸(2.54 毫米)轉接頭和MMCX 到0.062 英寸(1.57 毫米) 轉接頭。轉接頭有一個MMCX 插座,用來連接IsoVu尖端電纜。轉接頭另一端有一個中心引腳插座,轉接頭外部周圍有4 個公共( 屏蔽) 插座。轉接頭上的凹槽可以用來固定屏蔽插座。在探頭尖端轉接頭靠近電路板時,可以實現最佳的電氣性能。


方針式傳感器尖端電纜


TIVP 系列(IsoVu Gen 2) 產品還包括方針式傳感器尖端電纜,可以實現更高的輸入差分電壓功能。這些尖端接口不僅連接簡便,而且連接牢固,在高壓環境中可以安全實現免提操作。方針式傳感器尖端電纜分成兩種:0.100? (2.54 mm) 間距,可以用于高達600V 的應用;0.200? (5.08 mm) 間距, 可以用于高達2500 V 的應用。


非預計的測試點


在理想情況下,測試點會提前規劃,并整合到柵極驅動器或評測電路板中,如Wolfspeed KIT-CRDCIL12N-FMC Wolfpack 評測套件。在這種場景下,MMCX 連接器會提供最好的性能,如果關心的信號落在300Vpk 電壓額定值范圍內,推薦使用MMCX連接器。


當然,我們不能一直預測每個可能的測試點。在具體情況要求添加非預計的測試點時(如圖9 所示),應根據以下指引確保最高的測量準確度:


?在電壓額定值允許時使用MMCX 連接器。

?連接器位置要盡可能安全地靠近IC 或元器件。

?同樣,任何要求的飛線要盡可能短或不用飛線。

?使用熱熔膠、聚酰亞胺膠帶或類似東西機械加強連接器。


在實例中,電路板組裝后在VGS 測試點中添加了一個方針頭部。測試點使用非導電的熱熔膠加強,以增加強度。

 

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圖9. 經VGS 節點焊接方針頭部,測量高側柵極驅動信號。


小結


總之,寬帶隙半導體技術將在功率轉換和能效的未來發展中發揮巨大的作用。與同等硅產品相比,SiC 開關更小,更快,效率更高。這些技術廣泛用于各種應用中,從電動汽車到光伏材料。因此,使用正確的工具測試這些技術變得非常重要,這樣設計人員才能正確設計、開發及整合到最終應用中。


泰克系列解決方案發揮著關鍵作用。IsoVu? 隔離探測系統提供了浮動的非參考地電平的差分探測體驗,特別適合柵極測量需求,其帶寬從200 MHz 到1 GHz,擁有各種探測尖端,在需要時可以衰減支持電壓更高的信號。5 系MSO 示波器是高分辨率(12 位) 示波器,特別適合測試存在高得多的電壓時的小電壓;8 條通道可以同時查看更多的定時信號,優化性能,考察大量信號之間的關聯性。5-PWR 軟件旨在5 系MSO 示波器上運行自動的、準確的、可重復的功率完整性測量,包括實際工作條件下的開關損耗、傳導損耗、RDS_ON、磁性損耗、SOA 等等。


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泰克公司總部位于美國俄勒岡州畢佛頓市,致力提供創新、精確、操作簡便的測試、測量和監測解決方案,解決各種問題,釋放洞察力,推動創新能力。70多年來,泰克一直走在數字時代前沿。歡迎加入我們的創新之旅,敬請登錄:tek.com.cn



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