在電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，對(duì)電源晶體管進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)估并為應(yīng)用程序挑選合適的設(shè)備至關(guān)重要。理想情況下，功率半導(dǎo)體供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表應(yīng)能提供一致的結(jié)果，便于工程師比較動(dòng)態(tài)參數(shù)。然而，在動(dòng)態(tài)切換特性方面，實(shí)際操作卻困難重重。用于表征寬帶隙（WBG）功率晶體管的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，必須將寄生參數(shù)控制在極小范圍內(nèi)，并確保各系統(tǒng)間的一致性。本文將深入探討設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)雙脈沖測(cè)試（DPT）系統(tǒng)時(shí)的重要考量因素，該系統(tǒng)旨在關(guān)聯(lián)多個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)果。

原則上，DPT 設(shè)置并不復(fù)雜，其簡(jiǎn)化圖如圖 1 所示。測(cè)試工程師通常會(huì)用二極管替換 “高側(cè)” 晶體管來簡(jiǎn)化系統(tǒng)。但隨著 WBG 設(shè)備開關(guān)速度的不斷提升，系統(tǒng)中諸多重要的外部寄生組件不容忽視（圖 2）。

許多外部寄生參數(shù)，尤其是電源回路、柵極環(huán)和直流鏈路循環(huán)這三個(gè)主要回路，會(huì)對(duì)波形產(chǎn)生顯著影響。此前的文章已對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)討論。此外，寄生參數(shù)還會(huì)極大地影響提取的開關(guān)參數(shù)。像電源循環(huán)和柵極循環(huán) LSS 共有的電感、外部柵極電阻 RG、外柵極電感 LG 以及負(fù)載電感寄生等外部因素，都會(huì)影響功率半導(dǎo)體的開關(guān)速度。同時(shí)，測(cè)得的開關(guān)能量會(huì)受到當(dāng)前分流器的載荷電感和寄生電感（LSHUNT）的寄生電容（CIND）的影響。

正如上一篇文章所提及的，分流帶寬對(duì)開關(guān)能量有著重大影響。寄生元件在轉(zhuǎn)換啟動(dòng)過程中會(huì)導(dǎo)致較高的測(cè)量電流峰，并放大測(cè)得電流信號(hào)的所有高頻成分。對(duì)用于測(cè)量的分流進(jìn)行表征，有助于降低 Lshunt 的影響，從而在適當(dāng)補(bǔ)償時(shí)無需考慮它以實(shí)現(xiàn)結(jié)果的可比性。

功率半導(dǎo)體數(shù)據(jù)表中關(guān)于用于提取開關(guān)參數(shù)的 DPT 系統(tǒng)的信息十分有限。除了測(cè)試參數(shù)（如 VDS、ID、VGS）外，通常僅指定 RG 和 LIND，而這些參數(shù)在系統(tǒng)中較易控制和更改。

部分?jǐn)?shù)據(jù)表還會(huì)顯示負(fù)載電感器和總功率環(huán)電感的寄生電容（CIND）。CIND 是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)樗c高側(cè)設(shè)備并行引入了額外的電容。在轉(zhuǎn)換期間，這種額外的電容會(huì)導(dǎo)致比設(shè)備實(shí)際反恢復(fù)電流更高的測(cè)量峰值電流，進(jìn)而增加轉(zhuǎn)換期間的開關(guān)能量。燈具布局本身也可能引入具有相似效果且未被指定的寄生電容。從圖 3 中可以看到，具有不同 CIND 的兩個(gè)電感器之間的轉(zhuǎn)換波形存在差異，較高電感值的測(cè)量結(jié)果顯示電流峰更高、更長(zhǎng)，且下降邊緣有延遲，這使得開關(guān)能量增加了 4.5％。因此，控制 CIND 并減少布局寄生電容至關(guān)重要。

總功率循環(huán)電感也不容忽視，因?yàn)樗鼤?huì)在 id 的轉(zhuǎn)換邊緣產(chǎn)生電壓下垂，計(jì)算公式為 vds，drop = lpowerloop?did/dt [1]。對(duì)于具有陡峭電流坡度的快速開關(guān)設(shè)備，這種電壓下垂的影響更為顯著，在上升時(shí)間計(jì)算時(shí)必須予以考慮。將功率循環(huán)電感分解為其組件 LS 和 LDS 也很重要，因?yàn)樗鼈儗?duì)系統(tǒng)和測(cè)量結(jié)果的影響方式不同。LSS 在柵極環(huán)中產(chǎn)生負(fù)反饋時(shí)會(huì)降低開關(guān)速度，減慢轉(zhuǎn)換和關(guān)閉過渡的輸出電流斜率，同時(shí)減小振鈴。相比之下，LDS 是所有信號(hào)（VD、ID、VGS）上振鈴的主要來源，但實(shí)際上對(duì)開關(guān)速度沒有影響。了解 LSS 和 LDS 的不同影響十分關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈兊淖饔孟喾础?/p>

在之前的文章中，還討論了示波器輸入時(shí)間偏斜的影響以及如何降低它。信號(hào)偏斜對(duì)于依賴兩個(gè)不同信號(hào)（如開關(guān)能量和延遲時(shí)間）的參數(shù)尤為重要。考慮這些參數(shù)的探針位置也很關(guān)鍵。探針可以放置在接近測(cè)試設(shè)備（DUT）的附近或遠(yuǎn)處，這會(huì)改變探針的走線長(zhǎng)度。由于信號(hào)傳播延遲，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)額外的偏斜。一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試表明，將探針位置改變幾厘米，會(huì)使延遲時(shí)間的變化增加 0.5 ns（圖 4）。對(duì)于延遲時(shí)間 > 50 ns 的較慢開關(guān)設(shè)備，這可能影響不大，但對(duì)于新的、更快的設(shè)備，其延遲時(shí)間為 5 ns 或以下，這將導(dǎo)致 10％或更高的誤差。

設(shè)計(jì) DPT 系統(tǒng)以獲得可比結(jié)果

目前，半導(dǎo)體制造商大多使用自制的 DPT 系統(tǒng)來獲取開關(guān)參數(shù)，但許多制造商難以將不同系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)。為了在多個(gè)系統(tǒng)測(cè)試 WBG 功率晶體管時(shí)獲得可比結(jié)果，有兩種方法可供選擇。

種方法是，制造商對(duì)其 DPT 系統(tǒng)的寄生參數(shù)進(jìn)行表征，并將其納入指定特征的測(cè)試條件。然而，要了解并共享所有寄生參數(shù)（如布局、電感器等）的信息并非易事，甚至測(cè)量其中一些寄生參數(shù)也存在困難。即使所有條件都能高精度地確定并陳述，也很難量化這些寄生參數(shù)對(duì)結(jié)果的確切影響。表 1 展示了一個(gè)簡(jiǎn)化示例，說明了比較在兩個(gè)不同 DPT 系統(tǒng)上獲得的測(cè)量結(jié)果的難度。該示例僅顯示了部分測(cè)試條件，實(shí)際情況中，完整的測(cè)試條件列表會(huì)包含更多參數(shù)。在相同的測(cè)試電壓、電流和柵極電阻值下測(cè)量?jī)蓚€(gè)設(shè)備，但在不同的 DPT 系統(tǒng)上進(jìn)行。與設(shè)備 B 相比，設(shè)備 A 明顯顯示出更高的轉(zhuǎn)換和開關(guān)能量。但如前所述，開關(guān)速度和能量的主要影響因素之一是 LSS。用于表征設(shè)備 A 的測(cè)試系統(tǒng)的 LSS 高于設(shè)備 B 的測(cè)試系統(tǒng)。在沒有進(jìn)行模擬和詳細(xì)分析的情況下，很難比較這兩個(gè)設(shè)備，也難以確定哪個(gè)設(shè)備更快，以及在目標(biāo)應(yīng)用中消耗的開關(guān)能量更少。

表 1：簡(jiǎn)化的示例，顯示了在不同測(cè)試系統(tǒng)上獲得的可比數(shù)據(jù)的難度

由于測(cè)量所有寄生參數(shù)并比較其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響存在困難，因此需要探索另一種實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方法。

獲得可比結(jié)果的第二種方法是保持 DPT 系統(tǒng)的寄生參數(shù)恒定，這就需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 DPT 系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好且易于使用的 DPT 系統(tǒng)，可以將潛在的人為錯(cuò)誤降至，使所有寄生參數(shù)和其他影響因素保持相對(duì)穩(wěn)定。使用這樣的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)獲取多個(gè)設(shè)備的參數(shù)，能夠更方便地在供應(yīng)商之間進(jìn)行設(shè)備比較。

為了保持寄生參數(shù)的穩(wěn)定，同時(shí)提供一個(gè)可靠且靈活的系統(tǒng)，需要解決幾個(gè)關(guān)鍵問題。在考慮 DUT 接口和柵極驅(qū)動(dòng)程序連接時(shí)，將它們焊接在 PCB 上是一種可靠的方法，但這會(huì)犧牲工程師的操作靈活性。如果工程師想要更換 DUT 或門電阻，就必須拆除舊部件并焊接新部件。經(jīng)過多次設(shè)備更換后，PCB 可能會(huì)損壞，導(dǎo)致獲得的測(cè)量結(jié)果不再具有可比性。一種特殊設(shè)計(jì)的 DUT 接口板，采用緊密插座類型連接器，使工程師無需焊接即可輕松更換晶體管（如 TO247 封裝）。這樣，一個(gè) DUT 板可以用于數(shù)千次插入操作。

要獲得柵極驅(qū)動(dòng)器的靈活性，可以采用一個(gè)可單獨(dú)交換的板（具有不同的值），并將其插入同一 DUT 板。柵極驅(qū)動(dòng)器板允許與 DUT 板進(jìn)行重復(fù)且一致的連接。對(duì)于不同的門電阻器，理想情況是擁有一個(gè)帶有可切換電阻器或可變電阻器的門驅(qū)動(dòng)器板。然而，在門環(huán)中引入開關(guān)會(huì)增加寄生門電感，因此不是選擇。使用可變的整孔電阻也存在類似問題，因?yàn)槠浼纳姼羞h(yuǎn)高于表面載體電阻，而且操作容易出錯(cuò)，可能會(huì)導(dǎo)致電阻器混淆，進(jìn)而影響測(cè)試結(jié)果的記錄。正確的做法是采用具有可變標(biāo)準(zhǔn)的門驅(qū)動(dòng)器板的標(biāo)準(zhǔn) DUT 板設(shè)計(jì)，這樣有助于在多個(gè)系統(tǒng)之間創(chuàng)建可比的結(jié)果。

從 DC - LINK 電容器組到 DUT，需要在降低寄生電感 LDCLINK1 和 LDCLINK2 之間進(jìn)行權(quán)衡。大容量電容器體積較大，不適合安裝在 DUT 板上。將它們放置在單獨(dú)的主電容器板上，可以提高不同 DUT 板（如 TO247 - 4、D2PAK - 7 等）的靈活性，但這會(huì)增加 LDCLINK1 和 LDCLINK2。因此，每個(gè) DUT 測(cè)試板都應(yīng)包含解耦電容器，以在不損失靈活性的前提下，盡可能減小電源循環(huán)。精心設(shè)計(jì)的解耦電容器值可以有效減少較大的 LDClink 值的影響。

在使柵極和功率回路的寄生電感保持恒定后，剩下的主要影響因素就是電感器本身。關(guān)于電感器，有多個(gè)因素需要考慮。電感器的布局或設(shè)計(jì)會(huì)影響其直流電阻和寄生電容，建議為每個(gè)系統(tǒng)使用相同的設(shè)計(jì)，以確保結(jié)果的可比性。電感器周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，系統(tǒng)中電感器位置的變化可能會(huì)對(duì)被感應(yīng)的磁場(chǎng)產(chǎn)生不同的影響，因此固定電感器的位置非常重要。電感器的電纜長(zhǎng)度和電纜定位也會(huì)增加寄生參數(shù)，較長(zhǎng)的電纜通常會(huì)導(dǎo)致更高的寄生效應(yīng)。因此，一個(gè)可靠的系統(tǒng)需要固定電感器的定位和連接方式。