一、背景

      雙脈沖測試是表征功率半導體器件動態特性的重要手段，適用于各類功率器件，包括MOSFET、IGBT、Diode、SiC MOSFET、GaN HEMTs。同時，這項測試發生在器件研發、器件生產、系統應用等各個環節，測試結果有力地保證了器件的特性和質量、功率變換器的指標和安全，可以說是伴隨了功率器件生命的關鍵時刻。

      隨著先進功率器件的問世以及功率變換器設計愈發精細，器件研發工程師和電源工程師都越來越關注雙脈沖測試。

      工欲善其事，必先利其器，擁有一套雙脈沖測試平臺是獲得正確評估結果的前提。本文將破解雙脈沖平臺搭建的難題，快來看看吧。

二、雙脈沖測試平臺架構

      下圖是雙脈沖測試平臺的架構，并不復雜，主要包括：測試板、高壓電源、輔助電源、信號發生器、負載電感、示波器、電壓探頭、電流探頭。

1、測試板

      測試板是完成雙脈沖測試的核心，一般為半橋電路，有時也會采用根據實際系統應用的拓撲。其上主要部件包括母線電容、驅動電路，母線電容為測試過程提供穩定的母線電壓和所需的電流，驅動電路控制器件完成開關動作實現雙脈沖過程。

      測試板的優劣直接影響到評估結果的正確性。測試板需要首先需要確保在測量無誤的情況下不出現異常波形，比如電壓尖峰超過器件耐壓值、無法解釋的震蕩、橋臂短路等，否側這樣的測試結果是沒有價值的。對于服務于系統應用器件選型的測試需求，測試板可以直接選用變換器實際的電路板，這樣的測試結果可以直接用于電路設計。隨著器件的開關速度越來越快，對測試板的性能也提出了更高的要求，如回路電感、驅動電路等，有條件的客戶建議自己配。

2、高壓電源

      高壓電源在測試開始之前為測試板上的母線電容充電，起到設定測試電壓的作用。母線電容容值一般較大，從幾十uF到幾mF不等，這就要求高壓電源對容性負載的穩壓能力要強。雙脈沖測試中，測試電壓一般不超過器件的耐壓值，故可以根據被測器件的電壓等級來確定高壓電源的電壓輸出能力。同時，同一雙脈沖測試平臺往往會用于測試不同電壓等級的器件，這就要求高壓電源的輸出電壓精度需要滿足測試要求。

      此外，在雙脈沖測試中，測試電流是由被充滿電的母線電容提供的，高壓電源在測試過程中并不提供能量。故高壓電源可以選擇功率較小的型號，一方面可以節約成本，一方面可以降低噪聲。

3、輔助電源

      輔助電源的作用是為測試板上的驅動電路供電，所需電壓一般在20V以內，所需功率一般在20W以內。同時，對于上下管都是開關管的測試板，可以選擇雙通道輸出的輔助電源為上下管的驅動電壓分別供電；對于三電平電路的雙脈沖測試，可以選擇三通道輸出的輔助電源為每個器件的驅動電壓分別供電。這樣的好處是可以提高測試電路的可靠性，不會因為某一驅動電路故障而影響其他驅動電路。

4、信號發生器

      信號發生器的功能是向測試板上的驅動電路發出雙脈沖信號，完成雙脈沖測試。由于測試所需的雙脈沖信號頻率不高，且其上升下降速度對測試的影響很小，故選擇各廠商能提供的基礎的型號發生器即可。

      不過需要注意的是，對雙脈沖測試平臺進行改造后還可以進行多脈沖測試、短路測試、雪崩測試、電源開環測試，此時往往所需的控制信號就不止一路了。所以在搭建雙脈沖測試平臺時可以選擇雙通道輸出的信號發生器，以提高靈活度。

      同時，在進行雙脈沖測試時，需要不斷根據測試條件調整雙脈沖信號的脈寬和間隔，老式的信號發生器需要手動輸入編輯波形或上位機編程來實現，十分不方便。針對這個問題，可以選擇單通道或雙通道任意波形信號發生器，其上搭載的雙脈沖測試軟件可以快捷地實現雙脈沖信號設置。

5、示波器

      示波器用于被測器件開關過程波形的采集，至少包含驅動波形、端電壓波形和端電流波形，故可以選擇4通道示波器。此外，又是需要同時對上下管器件進行測試，這時就可以選擇8通道示波器，可以輕松搞定多路信號的采集。

      在示波器選擇時，還需要考慮其帶寬、分辨率、噪聲、采樣率等。傳統的器件開關速度慢，對示波器的要求不高。但隨著越來越多先進功率器件的出現，其電壓電流范圍更廣、開關速度更快，對用于雙脈沖測試的示波器提出了更高的要求。

      示波器可以選擇帶寬1GHz版本，能夠滿足高開關速度對帶寬的要求，其具有12bit ADC可顯著提高測量精度、降低測量噪聲，特別對高壓大電流器件效果尤為顯著。此外，示波器推薦4通道、6通道、8通道3種配置選擇。

6、電壓探頭

      電壓探頭用于測量被測器件的驅動電壓波形和端電壓波形。

      10倍無源探頭：帶寬高可達1GHz、衰減倍數小，使用無源探頭能夠獲得精準的驅動電壓波形。由于其屬于無源探頭，故僅能用于測量下管器件的驅動電壓。同時還可用于200V以下器件端電壓測量，能夠獲的精準的端電壓測量結果。在使用時同樣需要注意接地線的影響和阻抗匹配問題，且只能用于下管測量。

      在使用10倍無源探頭測量驅動電壓時，需要注意接地線的影響和阻抗匹配。

      高壓單端探頭：高測量范圍高達2500V，高帶寬可達800MHz，能夠獲的精準的端電壓測量結果。在使用時同樣需要注意接地線的影響和阻抗匹配問題，且只能用于下管測量。

      高壓差分探頭：其為差分輸入，故可以用于上管測試，但由于其CMRR不夠高，其測量結果正確性和精度不足以用于精準的器件特性分析；屬于有源探頭，輸入阻抗相比10倍無源探頭更大，當被測器件發生損壞時，對示波器來講更加安全；由于其衰減倍數較大，一般在50倍以上，導致其測量的驅動電壓波形上噪聲較大、精度較低；由于其端部接線長度較長，容易受到干擾，導致測量結果錯誤。

      其高測量范圍高達6500V，差分輸入，可用于上管器件測量。與測量驅動電壓時原因相同，測試精度較無源探頭差，帶寬不夠高。高帶寬僅200MHz，無法滿足高速器件，如SiC、GaN器件動態特性精準測試的要求。

      光隔離探頭：帶寬高可達1GHz，小量程衰減比僅1倍，1GHz下CMRR高達-90dB，使用光隔離探頭能夠獲得更準確的驅動電壓波形，是現階段測量上管驅動電壓波形的上佳工具。

7、電流探頭

      羅氏線圈：測量范圍從幾十A到幾千安無飽和問題，只能測量交流電流，無法測量直流電流，正好可以用于測量器件開關/反向恢復特性。羅氏線圈正好套入器件中測量電流，如分立器件的引腳、功率模塊的端子、功率模塊的鍵合線，這樣的方式不會破壞主功率線路而對器件特性造成影響。但其高帶寬僅為30MHz，無法精準測量高速器件的電流。

      同軸電阻：大帶寬可達1GHz以上，特殊安裝方式引入功率回路的寄生電感較小，測量精度高，能夠獲得精準的器件斷電流，特別對SiC、GaN器件更是不二之選。