普源示波器与信号发生器功率半导体动态性能测试解决方案

功率变换器是电能利用的重要装置，在生产和生活中发挥着重要作用。功率变换器的核心是 功率半导体器件，很大程度上决定了功率变换器的性能。经过近几十年的发展，功率半导体 器件已经形成了覆盖几伏到几千伏、几安到几千安的庞大家族，常用的功率半导体器件类型 包括MOSFET、IGBT、二极管等。

大部分功率器件是基于Si半导体材料的，其特性已接近理论极限，成为功率变换器发展的瓶 颈。与Si功率器件相比，SiC功率器件具有更高的开关速度、能够工作在更高的结温下、可以 同时实现高电压和大电流。这些特性能够显著提升功率变换器的性能，获得更高的电能转换 效率、实现更高的功率密度、降低系统成本。SiC功率器件适合应用于汽车牵引逆变器、电动 汽车车载充电机、电动汽车充电桩、光伏、不间断电源系统、能源储存以及工业电源等领 域。目前、国内外SiC产业链逐渐成熟，主流功率半导体器件厂商都已经推出了SiC功率器件 产品，成本也不断下降，SiC功率器件的应用正处于爆发式增长中。

测试需求

功率半导体动态参数测试（以半桥电路为基础已经发展出了一套完善的开关管开关特性评估 方法，双脉冲测试）是功率半导体研发与应用中的核心评估工具，不仅提供关键动态参数， 还通过模拟实际工况揭示器件的潜在风险与优化方向。以SiC和GaN为代表的第三代半导体的 快速发展和应用给新能源汽车行业、电源行业等带来颠覆性的变化，也给设计工程师带来了 非常大的测试挑战。如何保证选用的高速功率器件能稳定可靠的运行在自己的产品中，需要 了解功率器件的动态特性。

测试目的

1、测量关键动态参数。测量开关损耗、开关时间、反向恢复特性等动态参数，用于优化系统 效率、评估器件响应速度、判断其在换流过程中的安全裕量。

2、验证驱动电路设计。评估栅极驱动电阻的合理性，优化驱动信号上升/下降斜率以减少开 关震荡。测试驱动芯片的保护功能是否有效。

3、对比器件性能。在不同的电压、电流、温度条件下测试，对比不同材料（Si IGBT和SiC MOSFET）或不同厂商器件的性能差异，支持选型决策。

4、分析寄生参数影响。

5、评估极端工况下的可靠性。

测试原理

如图1所示，以SiC MOSFET为例。双脉冲测试电路由母线电容CBus、被测开关管QL、陪测 二极管VDH、驱动电路和负载电感L组成。测试中，向QL发送双脉冲驱动信号，就可以获得 QL在指定电压和电流下的开关特性。实际功率变换器的换流模式有MOS-二极管和MOSMOS两种形式，进行脉冲测试时需要选择与实际变换器相同的形式和器件。对于MOS-MOS 形式，只需要将二极管VDH换成SiC MOSFET QH，并在测试中一直施加关断信号即可。在 测试二极管反向恢复特性时，被测管为下管，负载电感并联在其两端，陪测管为上管，测试 中进行开通关断动作，如图2所示。在整个测试中，QL进行了两次开通和关断，形成了两个 脉冲，测量并保留QL的VGS、VDS、IDS波形，就可以对其第一次关断和第二次开通时动态 特性进行分析和评估了。

典型应用场景

1、电动汽车驱动系统：验证逆变器中IGBT/SiC模块的开关损耗和热稳定性。

2、可再生能源：测试光伏逆变器和储能变流器（PCS）的功率器件在高频开关下的可靠性。

3、工业变频器：评估电机驱动电路中器件的动态响应和电压应力。

4、开关电源：优化高频DC-DC变换器的效率与EMI特性。

测试平台搭建

RIGOL功率半导体动态参数测试方案，支持单脉冲、双脉冲及多脉冲测试，集成了示波器、 信号发生器、低压直流电源、高压直流电源、电压电流探头和软件。测试项目包括关断参 数、开通参数和反向恢复参数。具体有关断延迟td(off))、下降时间tf、关断时间toff、关断 能量损耗Eoff、开通延迟td(on)、上升时间tr、开通时间ton、开通能量损耗Eon、反向恢复 时间trr、反向恢复电流Irr、反向恢复电荷Qrr、反向恢复能量Err、电压变化率dv/dt和电流 变化率di/dt等。

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