有效測量碳化硅信號

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，因為它具有大功率系統(tǒng)的主要熱和電氣優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括更高的開關(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)升級和系統(tǒng)設(shè)計的新選擇。

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，因為它具有大功率系統(tǒng)的主要熱和電氣優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括更高的開關(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)升級和系統(tǒng)設(shè)計的新選擇。
借助 WolfPACK 系列壓接引腳、無底板模塊，設(shè)計人員可以隨時進(jìn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 SiC 升級，用于提高系統(tǒng)可靠性同時降低 BOM 和維護(hù)成本的設(shè)計。
SiC器件市場涵蓋廣泛的功率和應(yīng)用（電動汽車充電，太陽能和風(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，實現(xiàn)多源功能，并最大限度地降低總 BOM 成本。對于中等功率范圍（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)?。在高端?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，需要在開發(fā)過程中動態(tài)表征和測試系統(tǒng)。通過測量關(guān)鍵信號和參數(shù)，然后調(diào)整布局和組件，設(shè)計人員可以充分利用這些高性能SiC的優(yōu)勢，并生成更可靠、更高效的系統(tǒng)。對于來自低電壓和低速硅器件的工程師來說，測量和優(yōu)化某些特性（如柵極驅(qū)動性能、開關(guān)能量和損耗、死區(qū)時間、振鈴/振蕩和效率）可能具有挑戰(zhàn)性。重要的是，用于驗證/確認(rèn)以量化和鑒定數(shù)據(jù)的設(shè)備和測量方法必須準(zhǔn)確，并且足夠快，以跟上高開關(guān)速度。
本文將重點介紹測量SiC相關(guān)信號的方法，并推薦相關(guān)設(shè)備，同時演示W(wǎng)olfspeed的CAB011MI2FM3半橋功率模塊的示例。
通過柵極和漏極電壓測量進(jìn)行碳化硅驗證
MOSFET 開關(guān)的動態(tài)測量有三個主要領(lǐng)域，可以正確驗證器件：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）能量和開關(guān)損耗、柵極特性和穩(wěn)定性、定時/開關(guān)速度以及過沖/振鈴。
測量SiC功率器件的柵極電壓具有挑戰(zhàn)性，因為它是一個低壓信號，通常以節(jié)點為參考，相對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，快速瞬變可能會引入錯誤讀數(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量值。
將光隔離探頭與更傳統(tǒng)的差分探頭進(jìn)行比較時，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?。這可能會使設(shè)計人員在嘗試區(qū)分可歸因于被測器件的行為與探頭本身的偽影時變得困難。如果誤解，測量偽影可能會導(dǎo)致設(shè)計人員增加?xùn)艠O電阻，以減慢開關(guān)速度并減少振鈴。柵極上的錯誤測量通常需要顯著降低dV/dt才能消除，從而大大增加損耗，而沒有實際好處。可以理解的是，確保電壓探頭準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的實際動態(tài)至關(guān)重要。
圖3顯示了差分探頭和測量柵極電壓的光隔離探頭的比較。從波形來看，標(biāo)準(zhǔn)差分探頭引入了實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)點進(jìn)行測量。當(dāng)使用漏源電壓探頭時，必須以防止多個接地點的方式參考系統(tǒng)。圖4顯示了一個接地參考探頭，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，并降低測量精度。在SiC設(shè)計中，對于高dV/dt，由于寄生電流在示波器探頭接地參考中流動，這種效應(yīng)可能會加劇。
使用電流觀察電阻（CVR）時，設(shè)置接地變得更加重要。如果在不考慮CVR的情況下直接測量VDS，則由于相對于示波器的多個參考點，可能會引入意外行為。如果重新定位CVR，使其參考點與VDS測量的參考點對齊（提供反轉(zhuǎn)信號，可通過示波器進(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，請參見圖5。在此圖中，兩個以地為參考的探頭連接到不同電壓電平的基準(zhǔn)電壓源。這會導(dǎo)致器件電流繞過CVR并流過接地引線和示波器，從而導(dǎo)致讀數(shù)錯誤并可能損壞設(shè)備。通常，建議使用差分探頭測量漏源電壓，因為它們消除了大多數(shù)接地問題。

圖 5：漏源到源極測量的探頭接地不正確的示例

如上圖所示，CVR可用于對MOSFET進(jìn)行電流測量。測量電流的另一種方法是使用羅氏線圈，因為它可以很容易地以非侵入性方式添加到電路中。Rogowski線圈的缺點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的測量。
圖6顯示了羅氏線圈帶寬的限制以及它如何影響測量的開關(guān)能量。CVR 提供高帶寬和精確的電流測量，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的開關(guān)行為時，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)路時會少報開關(guān)損耗，但它們是測量相位/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，因為它難以插入，穩(wěn)態(tài)電流限制和缺乏隔離。

圖 6：激進(jìn)開關(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，還必須及時糾偏探頭，以確保電壓和電流信號具有匹配的延遲。如果不進(jìn)行去偏斜，錯誤的測量會導(dǎo)致開關(guān)能量計算誤差超過30%。在去偏斜之前，重要的是自動歸零并根據(jù)需要校準(zhǔn)探頭。
通過將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的上升沿和下降沿是否對齊，可以對這兩個探頭進(jìn)行去偏斜。該過程也可以與使用測試電路板（測試夾具）的電流探頭一起執(zhí)行，以補償兩個探頭之間的時序差異。圖7顯示了這種電路板的示例。
在 執(zhí)行 柵 極 測量 時， 必須 考慮 從 功率 轉(zhuǎn)換 模 塊 捕獲 的 信號 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適用于不同PCB實現(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)盡可能靠近被測電壓節(jié)點插入。當(dāng) MMCX 連接器不可用時，下一個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，可實現(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，能夠測量大差分電壓，并為免提操作提供簡單、安全的連接。
理想情況下，測試點是預(yù)先確定的，并集成到柵極驅(qū)動器或評估板的PCB布局中，例如Wolfspeed KIT-CRD-CIL12N-FMC。當(dāng)沒有足夠的測試點可用但需要連接到信號進(jìn)行測試時，可以通過以下程序/指南添加計劃外測試點：
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)推動電力電子系統(tǒng)更小、更快、更高效。從電動汽車充電和太陽能等環(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，正確測試和表征不僅要確保可靠性，還要充分利用SiC實現(xiàn)的效率和功率密度，因此變得非常重要。
IsoVu 隔離式探測系統(tǒng)提供浮動、非接地差分探測體驗，非常適合柵極測量，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試小電壓。測量漏源電壓時，請確保接地不會導(dǎo)致寄生電流回流到探頭中。
考慮CVR和羅氏線圈在測量電流方面的區(qū)別，以及開關(guān)條件如何導(dǎo)致錯誤的測試結(jié)果。驗證探頭是否正確去偏斜，以確保電壓和電流信號具有匹配的延遲。提供參考設(shè)計和評估套件以幫助指導(dǎo)工程師完成設(shè)計過程，而 5-PWR 等軟件套件設(shè)計用于在 5 系列 MSO 示波器上運行自動化、準(zhǔn)確且可重復(fù)的功率測量。