有效测量碳化硅信号
【导读】碳化硅（SiC）技术已超越传统的硅（Si）绝缘栅双极晶体管（IGBT）应用，因为它具有大功率系统的主要热和电气优势。这些优势包括更高的开关频率、更高的功率密度、更好的工作温度、更高的电流/电压能力以及整体更好的可靠性和效率。SiC器件正在迅速取代基于硅的组件和模块，作为系统升级和系统设计的新选择。
碳化硅（SiC）技术已超越传统的硅（Si）绝缘栅双极晶体管（IGBT）应用，因为它具有大功率系统的主要热和电气优势。这些优势包括更高的开关频率、更高的功率密度、更好的工作温度、更高的电流/电压能力以及整体更好的可靠性和效率。SiC器件正在迅速取代基于硅的组件和模块，作为系统升级和系统设计的新选择。
借助 WolfPACK 系列压接引脚、无底板模块，设计人员可以随时进行行业标准的 SiC 升级，用于提高系统可靠性同时降低 BOM 和维护成本的设计。
SiC器件市场涵盖广泛的功率和应用（电动汽车充电，太阳能和风能等能量收集，电源逆变器，工业电源，数据中心）。在低端 （1–50 kW），分立式MOSFET有助于最大限度地提高拓扑灵活性，实现多源功能，并最大限度地降低总 BOM 成本。对于中等功率范围（20–150 kW），WolfPACK 系列功率模块提供行业标准封装，可根据需要进行扩展，并且仍然提供灵活的解决方案和拓扑。在高端（150-600 kW+），存在高功率模块，例如XM3系列，可以扩展以满足各种直流母线配置的高功率需求。
与大多数应用程序一样，需要在开发过程中动态表征和测试系统。通过测量关键信号和参数，然后调整布局和组件，设计人员可以充分利用这些高性能SiC的优势，并生成更可靠、更高效的系统。对于来自低电压和低速硅器件的工程师来说，测量和优化某些特性（如栅极驱动性能、开关能量和损耗、死区时间、振铃/振荡和效率）可能具有挑战性。重要的是，用于验证/确认以量化和鉴定数据的设备和测量方法必须准确，并且足够快，以跟上高开关速度。
本文将重点介绍测量SiC相关信号的方法，并推荐相关设备，同时演示Wolfspeed的CAB011MI2FM3半桥功率模块的示例。
通过栅极和漏极电压测量进行碳化硅验证
MOSFET 开关的动态测量有三个主要领域，可以正确验证器件：栅极-源极电压 （VGS）、漏源电压（VDS） 和电流。根据这些参数，工程师可以确定（和优化）能量和开关损耗、栅极特性和稳定性、定时/开关速度以及过冲/振铃。
测量SiC功率器件的栅极电压具有挑战性，因为它是一个低压信号，通常以节点为参考，相对于示波器接地可能具有高直流失调和高dV/dt。由于电路接地和示波器/探头接地之间的寄生阻抗，快速瞬变可能会引入错误读数，因此需要与地解耦并具有大共模抑制比的器件。较新的光隔离探头（如图2所示）可以比现有的差分探头更准确地捕获栅极电压测量值。
将光隔离探头与更传统的差分探头进行比较时，由于基准电压的变化在探头内感应共模电流，栅极差分探头上的振铃通常要多得多。这可能会使设计人员在尝试区分可归因于被测器件的行为与探头本身的伪影时变得困难。如果误解，测量伪影可能会导致设计人员增加栅极电阻，以减慢开关速度并减少振铃。栅极上的错误测量通常需要显著降低dV/dt才能消除，从而大大增加损耗，而没有实际好处。可以理解的是，确保电压探头准确反映系统的实际动态至关重要。
图3显示了差分探头和测量栅极电压的光隔离探头的比较。从波形来看，标准差分探头引入了实际上不存在的额外振铃和振荡。光学隔离探头表现出更清晰的行为，从而能够更好地了解设备动态。
图 3：用于 MOSFET 栅极电压的差分探头（蓝色）与 IsoVu 光隔离探头（黄色）
然而，使用差分探头有一些好处，例如跨电路的任意节点进行测量。当使用漏源电压探头时，必须以防止多个接地点的方式参考系统。图4显示了一个接地参考探头，该探头将其屏蔽连接到示波器的接地。这可能导致探头参考上的接地电流很小，并降低测量精度。在SiC设计中，对于高dV/dt，由于寄生电流在示波器探头接地参考中流动，这种效应可能会加剧。
使用电流观察电阻（CVR）时，设置接地变得更加重要。如果在不考虑CVR的情况下直接测量VDS，则由于相对于示波器的多个参考点，可能会引入意外行为。如果重新定位CVR，使其参考点与VDS测量的参考点对齐（提供反转信号，可通过示波器进行调整），则将消除接地环路，从而提高精度。
有关探头接地不良的示意图，请参见图5。在此图中，两个以地为参考的探头连接到不同电压电平的基准电压源。这会导致器件电流绕过CVR并流过接地引线和示波器，从而导致读数错误并可能损坏设备。通常，建议使用差分探头测量漏源电压，因为它们消除了大多数接地问题。
图 5：漏源到源极测量的探头接地不正确的示例
如上图所示，CVR可用于对MOSFET进行电流测量。测量电流的另一种方法是使用罗氏线圈，因为它可以很容易地以非侵入性方式添加到电路中。Rogowski线圈的缺点是它们通常具有明显的带宽限制，由于快速切换，通常不适合基于SiC的测量。
图6显示了罗氏线圈带宽的限制以及它如何影响测量的开关能量。CVR 提供高带宽和精确的电流测量，但它们也有其自身的一系列挑战。这包括需要额外的串联元件，这可能需要在PCB布局期间进行仔细规划，并从PCB增加不需要的寄生电感。在表征SiC MOSFET的开关行为时，了解探头的局限性非常重要。了解所用探头的适当频率范围和用例将有助于确保在正确的情况下使用正确的探头。如前所述，罗氏线圈在插入高频电源环路时会少报开关损耗，但它们是测量相位/电感电流的绝佳探头。另一方面，CVR不是尝试表征逆变器输出电流的最佳选择，因为它难以插入，稳态电流限制和缺乏隔离。
图 6：激进开关条件下探头（CVR 与罗氏线圈）的比较
探头去偏斜和连接技术的重要性
除了使用具有足够带宽和噪声抑制的探头外，还必须及时纠偏探头，以确保电压和电流信号具有匹配的延迟。如果不进行去偏斜，错误的测量会导致开关能量计算误差超过30%。在去偏斜之前，重要的是自动归零并根据需要校准探头。
通过将V DS和VGS的电压探头连接到函数发生器并使用方波检查电流、栅极电压和漏极电压信号的上升沿和下降沿是否对齐，可以对这两个探头进行去偏斜。该过程也可以与使用测试电路板（测试夹具）的电流探头一起执行，以补偿两个探头之间的时序差异。图7显示了这种电路板的示例。
在 执行 栅 极 测量 时， 必须 考虑 从 功率 转换 模 块 捕获 的 信号 的 连接 性 和 清洁 度。MMCX提供了一种模块化的预制器件连接方法，而方形引脚方法具有一个适用于不同PCB实现的连接器。
MMCX 连接器符合行业标准，提供高保真度和良好的屏蔽接地路径。为了获得最佳性能，连接器应尽可能靠近被测电压节点插入。当 MMCX 连接器不可用时，下一个最佳方法是使用可以适应行业标准方形引脚的尖端电缆。上图所示的适配器具有用于连接到IsoVu探头尖端的MMCX插孔，当探针尖端适配器尽可能靠近电路板时，可实现最佳性能。
TIVP 系列探头还提供方形引脚式 0.100“ 间距适配器，能够测量大差分电压，并为免提操作提供简单、安全的连接。
理想情况下，测试点是预先确定的，并集成到栅极驱动器或评估板的PCB布局中，例如Wolfspeed KIT-CRD-CIL12N-FMC。当没有足够的测试点可用但需要连接到信号进行测试时，可以通过以下程序/指南添加计划外测试点：
在额定电压允许的情况下使用 MMCX 连接器。
将连接器放置在尽可能靠近 IC 或组件的位置。
保持任何所需的飞线短或不存在。
使用非导电热胶、Kapton 胶带或类似材料机械加固连接器
结论
总而言之，与传统硅组件相比，SiC技术推动电力电子系统更小、更快、更高效。从电动汽车充电和太阳能等环保行业到高功率逆变器和数据中心，应用范围广泛，正确测试和表征不仅要确保可靠性，还要充分利用SiC实现的效率和功率密度，因此变得非常重要。
IsoVu 隔离式探测系统提供浮动、非接地差分探测体验，非常适合栅极测量，而 5 系列 MSO 示波器是一种高分辨率示波器，非常适合在存在更高电压的情况下测试小电压。测量漏源电压时，请确保接地不会导致寄生电流回流到探头中。
考虑CVR和罗氏线圈在测量电流方面的区别，以及开关条件如何导致错误的测试结果。验证探头是否正确去偏斜，以确保电压和电流信号具有匹配的延迟。提供参考设计和评估套件以帮助指导工程师完成设计过程，而 5-PWR 等软件套件设计用于在 5 系列 MSO 示波器上运行自动化、准确且可重复的功率测量。
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