功率器件测试怎么做？

近年来，随着工业控制市场、新能源汽车市场、新能源发电领域的需求增长，功率器件的相关需求也在不断增加，对功率器件的性能要求也在逐渐提高。功率器件是半导体器件的重要分支，主要用于处理高电压和电流的电能转换和控制，能承受较大的功率。

图 1

01功率器件

功率器件目前主要包括以下几种：

二极管：

利用其单向导通性，用于电路的整流与稳压等方面。

晶体管：

典型的晶体管有双极性晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)等，广泛用于放大器、音频放大器、电源调节器等器件中，用于功率放大和开关电路。

晶闸管：

有普通晶闸管(SCR)、双向晶闸管(TRIAC)、可关断晶闸管(GTO)等，用于交流调压和可控整流中。

MOSFET：

单极型器件，具有开关速度快、驱动功率低、输入阻抗高的特点，适合高频应用，常用于高频开关电源、DC-DC转换器、电机驱动等对开关速度要求较高的场合。

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)：

由MOSFET和双极型晶体管(BJT)组合而成的复合器件，具有MOSFET的高输入阻抗和BJT低导通压降的优点同时有着较强的耐压能力，适用于高压应用，同时在电力电子领域都得到了广泛的应用。

新型碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)功率器件：

新型宽禁带半导体材料制成的功率器件，有着高耐压、低导通电阻、高开关频率、耐高温的特点，广泛用于新能源汽车、充电桩、太阳能逆变器、工业电源等领域。其中在高压快充的趋势下电动车是新型功率器件最重要的应用场景，800V SiC平台的应用也在带动SiC功率器件的发展。

02难点与挑战

如今，MOSFET和IGBT在各个领域中得到越来越广泛的应用，如何有效地进行MOSFET和IGBT相关参数的测试是困扰许多工程师的难题。

IGBT的导通与关断设计的过程较多，对其开关特性的准确测量和分析带来了一定的难度。同时IGBT的安全工作区(SOA)的确定需要考虑多个因素，如电压、电流、时间等。

在测量中，同样容易受到寄生参数的影响，器件封装和测试电路中存在的寄生电感、电容等参数在高频和高速开关测试中会对结果造成显著影响导致信号失真与测量误差。同时，MOSFET和IGBT的开关速度快，对其进行动态特性测试时需要高精度的测试设备和快速的响应时间，选择合适的测量仪器进行测试显得格外重要。

在这些功率器件的测试中，需要多种测量仪器与设备协同工作，以更好地表征器件的参数，功率器件中常见的测试项目包括以下几个方面：

1.  静态参数测试：

导通电阻(Rds(on))：对于MOSFET等器件，测量在导通状态下漏极与源极之间的电阻。

阈值电压(Vth)：器件开始导通时的栅极电压。

击穿电压(BV)：测量器件能够承受的最大电压，如漏极击穿电压(BVDSS)、栅极击穿电压(BVGSS)。

漏电流(Idss、Igss)：特定条件下测量的漏极与源极之间的漏电流或栅极与源极之间的漏电流。

2. 动态参数测试：

开关时间(ton、toff)：测量器件从导通到截止或从截止到导通的时间。

开关延迟时间(td(on)、td(off))：功率器件开关过程中，从控制信号开始施加/下降到器件开始导通/关断之间的时间间隔。

损耗(Eon、Eoff)：测量开关过程中的电压和电流以计算器件在开通和关断时的能量损耗。

电流上升下降时间(tr、tf)：待测电流从10%上升到90%额定值所用时间。

反向恢复时间(trr)：测量从正向导通到反向截止时，电流恢复到零的时间。

3. 安全工作区(SOA)测试：

确定器件的安全工作区，测试功率器件在何种电压和电流组合下能够正常工作，确保在实际应用中，器件的工作电压和电流不会超出安全范围，出现过热、击穿或其他损坏现象。

以上只是功率器件中部分共同的测试项目，在实际测试测量中要根据器件本身的特性，准备测试设备并搭建测试电路，对器件的各个参数进行测试。

03解决方案-双脉冲测试

图 2

双脉冲测试是进行MOSFET和IGBT动态参数测量的常用方法，利用该测试可以更好地评估功率器件的特性，对功率器件开关损耗、电压电流尖峰值、寄生参数等特性进行评估，以了解产品的长期可靠性，方便后续产品的优化。

在测试中，需要两个脉宽不同的电压脉冲。第一个脉冲用于建立初始状态，预热电路使电路中的其他元件达到相对稳定的工作温度，减少温度变化对测试结果的影响，同时为电路中的电感建立一定的电流，为第二个脉冲的测试创造条件。

第二个脉冲用于测试功率器件的动态特性，此时利用示波器和差分探头测试器件开关时的电压和电流参数，在第一个脉冲的下降沿观测功率器件的关断过程，第二个脉冲的上升沿观测开通的过程，简化的双脉冲测试电路如图3所示。

图3 双脉冲测试电路简化示例

双脉冲测试通常以半桥形式进行测试，如要减少测试过程中可能产生的电场干扰等因素的影响，可以采用全桥结构进行测试。

半桥中上管保持常闭状态且并联一个电感，在下管门极中发送双脉冲，检测下管两端的电压Vce和集电极电流Ic，在双脉冲驱动的短暂开通关断过程中进行功率器件各参数的测试，双脉冲测试中的基本波形如图4所示。

图4 双脉冲测试基本波形示例

图4的蓝色波形为门极发送的双脉冲波形，绿色波形为下管两端的电压Vce，黑色的波形是测试到的下管集电极电流Ic。

●在t0时刻门极第一个脉冲到达，此时下管的IGBT进入饱和导通状态，电压加在电感上，电感产生的电流线性上升，电流的数值由电压和电感共同决定，在两者都确定的情况下，第一个脉冲持续时间越长，开启时间越长，产生的电流也越大。

●进入t1时刻后，第一个脉冲结束，下管关断，此时电感中的电流由上管中的二极管进行续流，该电流缓慢进行衰减，此时的电流探头若放置在下管发射极处，将不会观测到二极管续流时的电感电流。

●在t2时刻，第二个脉冲到达，下管再次被导通，续流二极管进入反向恢复，反向恢复电流同样流过下管IGBT中，在下管集电极处的电流探头能够捕捉到这一瞬的电流尖峰。

●在t3时刻，第二个脉冲结束，下管关断，此时电流较大且由于杂散电感的存在，电压出现尖峰。

以上步骤即是双脉冲测试中完整的测试过程，其中可以测得IGBT的反向恢复时间、上升时间、下降时间等参数，部分可测得参数图3所示，其中的开关损耗参数借助示波器的函数运算功能可以计算得到，对电压和电流信号的乘积进行规定时间内的积分可得到损耗值。

开通损耗的积分区间为门极电压上升的10%到Vce电压下降至2%的区间内，关断损耗的积分区间为门极电压下降至90%时到电流降至2%的区间内。

图5 双脉冲测试中部分可测参数

这个特殊的脉冲序列可以在数学工具软件中编辑生成，并调整其中脉冲的参数，最后将文件导入任意波形发生器中进行输出。

该方法较为繁琐且不便于参数调整，所以鼎阳科技在SDG1000X Plus等系列均内置了双脉冲波形设置选项，在信号源界面直观地显示输出双脉冲波形的特性，并且能够更加简便进行脉冲宽度等参数的设置，界面操作简便，引导清晰，让工程师能够更专注于功率器件测试和问题的调试和解决上。

相关的多脉冲设置界面如图6所示：

图6 信号源的多脉冲输出设置界面

不仅如此，工程师在多脉冲界面中可以选择脉冲的数量和幅度，并且可以针对每个脉冲设置相关的上升下降沿时间和正负脉宽的宽度，界面简洁，操作逻辑清晰。

在示波器上鼎阳科技同样提供用于双脉冲测试的测试软件，通过DPT软件可以减少手动测试的操作，有效缩短测试时间，软件提供JEDEC/IEC标准的测试结果范围，同时也支持用户自定义参数进行测试，在测试结束后能直观显示测试结果并将结果进行导出。

图7 DPT软件实际测试波形示例

图8 测试结果展示界面

04解决方案-电源分析

鼎阳科技示波器中的电源分析功能选件可以帮助用户快速分析开关电源的效率和可靠性等，支持的测量和分析范围种类多，其中开关损耗、转换速率、调制分析、安全工作区可对应功率器件MOSFET相关参数的测试。

其中每一项测试在示波器中均有详细的连接指南和连接提示图，以开关损耗为例，相关的连接说明如图7所示，在说明中提示了探测点的选取，探测设备的选择以及正确的探测方向和配置方法。

图9 连接指南示意图

在测量过程中，相对较小的时滞都可能引起较大的开关损耗测量错误，特别是在电压几近于零的导通相位期间，和电流几近于零的非导通相位期间。通过时滞校准可以纠正示波器或探头时延，在测试前应该执行一次；并且在硬件设置的任何部分发生变化时，也需要重新运行时滞校准。

电源分析功能中的安全工作区（SOA）可以根据配置菜单中设置的电压限制、电流限制和功率限制参数自动生成，并判断MOSFET上的应力是否超出SOA，有助于设计者快速发现电路中的问题或潜在风险。

图10、图11是测试MOSFET上电应力并使用SOA进行上电应力是否安全的操作示例。

图10 上电时MOSFET上的电压和电流波形

图11 SOA测试MOSFET时的测试面板

总结

鼎阳科技提供用于功率器件测试的相关方案，其中双脉冲测试是测量功率器件的动态参数的主要方法，能够准确表征器件的相关特性。构建用于测试的双脉冲以及针对相关参数进行测试一直都是困扰许多工程师的难点，鼎阳科技SDG1000X Plus任意波形发生器提供了在波形界面直接选择的多脉冲构建方法，为用户提供快速便捷的脉冲信号编辑。同时，在示波器中提供DPT双脉冲测试应用，能够对双脉冲测试中的参数进行便捷测试，减少测试时间并提供直观的测试结果报告。示波器中的电源分析选件也提供MOSFET相关参数及安全工作区的测量，方便用户开展功率器件测试。