【導讀】碳化硅（SiC）技術(shù)已超越傳統的硅（Si）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）應用，因為它具有大功率系統的主要熱和電氣優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括更高的開(kāi)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，作為系統升級和系統設計的新選擇。
碳化硅（SiC）技術(shù)已超越傳統的硅（Si）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）應用，因為它具有大功率系統的主要熱和電氣優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括更高的開(kāi)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，作為系統升級和系統設計的新選擇。
借助 WolfPACK 系列壓接引腳、無(wú)底板模塊，設計人員可以隨時(shí)進(jìn)行行業(yè)標準的 SiC 升級，用于提高系統可靠性同時(shí)降低 BOM 和維護成本的設計。
SiC器件市場(chǎng)涵蓋廣泛的功率和應用（電動(dòng)汽車(chē)充電，太陽(yáng)能和風(fēng)能等能量收集，電源逆變器，工業(yè)電源，數據中心）。在低端 （1–50 kW），分立式 MOSFET 有助于最大限度地提高拓撲靈活性，實(shí)現多源功能，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)標準封裝，可根據需要進(jìn)行擴展，并且仍然提供靈活的解決方案和拓撲。在高端（150-600 kW+），存在高功率模塊，例如XM3系列，可以擴展以滿(mǎn)足各種直流母線(xiàn)配置的高功率需求。
與大多數應用程序一樣，需要在開(kāi)發(fā)過(guò)程中動(dòng)態(tài)表征和測試系統。通過(guò)測量關(guān)鍵信號和參數，然后調整布局和組件，設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。對于來(lái)自低電壓和低速硅器件的工程師來(lái)說(shuō)，測量和優(yōu)化某些特性（如柵極驅動(dòng)性能、開(kāi)關(guān)能量和損耗、死區時(shí)間、振鈴/振蕩和效率）可能具有挑戰性。重要的是，用于驗證/確認以量化和鑒定數據的設備和測量方法必須準確，并且足夠快，以跟上高開(kāi)關(guān)速度。
本文將重點(diǎn)介紹測量SiC相關(guān)信號的方法，并推薦相關(guān)設備，同時(shí)演示W(wǎng)olfspeed的CAB011MI2FM3半橋功率模塊的示例。
通過(guò)柵極和漏極電壓測量進(jìn)行碳化硅驗證
MOSFET 開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)測量有三個(gè)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。根據這些參數，工程師可以確定（和優(yōu)化）能量和開(kāi)關(guān)損耗、柵極特性和穩定性、定時(shí)/開(kāi)關(guān)速度以及過(guò)沖/振鈴。
測量SiC功率器件的柵極電壓具有挑戰性，因為它是一個(gè)低壓信號，通常以節點(diǎn)為參考，相對于示波器接地可能具有高直流失調和高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(huì )引入錯誤讀數，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）可以比現有的差分探頭更準確地捕獲柵極電壓測量值。
將光隔離探頭與更傳統的差分探頭進(jìn)行比較時(shí)，由于基準電壓的變化在探頭內感應共模電流，柵極差分探頭上的振鈴通常要多得多。這可能會(huì )使設計人員在嘗試區分可歸因于被測器件的行為與探頭本身的偽影時(shí)變得困難。如果誤解，測量偽影可能會(huì )導致設計人員增加柵極電阻，以減慢開(kāi)關(guān)速度并減少振鈴。柵極上的錯誤測量通常需要顯著(zhù)降低dV/dt才能消除，從而大大增加損耗，而沒(méi)有實(shí)際好處?？梢岳斫獾氖?，確保電壓探頭準確反映系統的實(shí)際動(dòng)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(lái)看，標準差分探頭引入了實(shí)際上不存在的額外振鈴和振蕩。光學(xué)隔離探頭表現出更清晰的行為，從而能夠更好地了解設備動(dòng)態(tài)。
圖 3：用于 MOSFET 柵極電壓的差分探頭（藍色）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點(diǎn)進(jìn)行測量。當使用漏源電壓探頭時(shí)，必須以防止多個(gè)接地點(diǎn)的方式參考系統。圖4顯示了一個(gè)接地參考探頭，該探頭將其屏蔽連接到示波器的接地。這可能導致探頭參考上的接地電流很小，并降低測量精度。在SiC設計中，對于高dV/dt，由于寄生電流在示波器探頭接地參考中流動(dòng)，這種效應可能會(huì )加劇。
使用電流觀(guān)察電阻（CVR）時(shí)，設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(gè)參考點(diǎn)，可能會(huì )引入意外行為。如果重新定位CVR，使其參考點(diǎn)與VDS測量的參考點(diǎn)對齊（提供反轉信號，可通過(guò)示波器進(jìn)行調整），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(jiàn)圖5。在此圖中，兩個(gè)以地為參考的探頭連接到不同電壓電平的基準電壓源。這會(huì )導致器件電流繞過(guò)CVR并流過(guò)接地引線(xiàn)和示波器，從而導致讀數錯誤并可能損壞設備。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接地問(wèn)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(xiàn)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(xiàn)圈的缺點(diǎn)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(xiàn)圈帶寬的限制以及它如何影響測量的開(kāi)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。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)行仔細規劃，并從PCB增加不需要的寄生電感。在表征SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)行為時(shí)，了解探頭的局限性非常重要。了解所用探頭的適當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(xiàn)圈在插入高頻電源環(huán)路時(shí)會(huì )少報開(kāi)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，穩態(tài)電流限制和缺乏隔離。
圖 6：激進(jìn)開(kāi)關(guān)條件下探頭（CVR 與羅氏線(xiàn)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(shí)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(huì )導致開(kāi)關(guān)能量計算誤差超過(guò)30%。在去偏斜之前，重要的是自動(dòng)歸零并根據需要校準探頭。
通過(guò)將V DS和VGS的電壓探頭連接到函數發(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(gè)探頭進(jìn)行去偏斜。該過(guò)程也可以與使用測試電路板（測試夾具）的電流探頭一起執行，以補償兩個(gè)探頭之間的時(shí)序差異。圖7顯示了這種電路板的示例。
在 執行 柵 極 測量 時(shí)， 必須 考慮 從 功率 轉換 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制器件連接方法，而方形引腳方法具有一個(gè)適用于不同PCB實(shí)現的連接器。
MMCX 連接器符合行業(yè)標準，提供高保真度和良好的屏蔽接地路徑。為了獲得最佳性能，連接器應盡可能靠近被測電壓節點(diǎn)插入。當 MMCX 連接器不可用時(shí)，下一個(gè)最佳方法是使用可以適應行業(yè)標準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，當探針尖端適配器盡可能靠近電路板時(shí)，可實(shí)現最佳性能。
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(jiǎn)單、安全的連接。
理想情況下，測試點(diǎn)是預先確定的，并集成到柵極驅動(dòng)器或評估板的PCB布局中，例如Wolfspeed KIT-CRD-CIL12N-FMC。當沒(méi)有足夠的測試點(diǎn)可用但需要連接到信號進(jìn)行測試時(shí)，可以通過(guò)以下程序/指南添加計劃外測試點(diǎn)：
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(xiàn)短或不存在。
使用非導電熱膠、Kapton 膠帶或類(lèi)似材料機械加固連接器
結論
總而言之，與傳統硅組件相比，SiC技術(shù)推動(dòng)電力電子系統更小、更快、更高效。從電動(dòng)汽車(chē)充電和太陽(yáng)能等環(huán)保行業(yè)到高功率逆變器和數據中心，應用范圍廣泛，正確測試和表征不僅要確?？煽啃?，還要充分利用SiC實(shí)現的效率和功率密度，因此變得非常重要。
IsoVu 隔離式探測系統提供浮動(dòng)、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(shí)，請確保接地不會(huì )導致寄生電流回流到探頭中。
考慮CVR和羅氏線(xiàn)圈在測量電流方面的區別，以及開(kāi)關(guān)條件如何導致錯誤的測試結果。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。提供參考設計和評估套件以幫助指導工程師完成設計過(guò)程，而 5-PWR 等軟件套件設計用于在 5 系列 MSO 示波器上運行自動(dòng)化、準確且可重復的功率測量。
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