【導讀】電力電子設備中使用的半導體材料正從硅過(guò)渡到寬禁帶（WBG）半導體，比如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等半導體在更高功率水平下具有卓越的性能，被廣泛應用于汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域中。由于工作電壓高，SiC技術(shù)正被應用于電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統，而GaN則主要用作筆記本電腦、移動(dòng)設備和其他消費設備的快速充電器。本文主要說(shuō)明的是寬禁帶FET的測試，但雙脈沖測試也可應用于硅器件、MOSFET或IGBT中。
電力電子設備中使用的半導體材料正從硅過(guò)渡到寬禁帶（WBG）半導體，比如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等半導體在更高功率水平下具有卓越的性能，被廣泛應用于汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域中。由于工作電壓高，SiC技術(shù)正被應用于電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統，而GaN則主要用作筆記本電腦、移動(dòng)設備和其他消費設備的快速充電器。本文主要說(shuō)明的是寬禁帶FET的測試，但雙脈沖測試也可應用于硅器件、MOSFET或IGBT中。
為確保這些設備的可靠性，雙脈沖測試（DPT）已發(fā)展成為一種行業(yè)標準技術(shù)，用于測量開(kāi)啟、關(guān)閉和反向恢復期的一系列重要參數。雙脈沖測試系統包括示波器、信號源和電源，它們必須協(xié)同工作進(jìn)行測試和測量。本應用說(shuō)明介紹了一個(gè)Python腳本示例，該腳本利用示波器和函數發(fā)生器的內置雙脈沖測試功能，自動(dòng)執行雙脈沖測試。演示腳本以一個(gè)工作框架的形式呈現，供尋求實(shí)現DPT自動(dòng)化的工程師使用， 并可通過(guò)泰克GitHub獲取。
使用Python可以實(shí)現全自動(dòng)測試解決方案，包括：
? 探頭設置配置
? 通道糾偏配置
? 直流電流校準（例如羅氏線(xiàn)圈）
? 垂直刻度設置自動(dòng)調整
? 水平刻度設置自動(dòng)調整
? 創(chuàng )建測試列表
? 獲取測試結果
? 測試屏幕/波形保存
? 用于穩定性分析的可重復測試回路
在本應用文章中，我們會(huì )使用5B系列MSO示波器和AFG31000任意函數發(fā)生器，在PC上使用Python自動(dòng)化執行雙脈沖測試 (DPT)。應用文章詳細概述了Python腳本的流程。演示腳本本身可用作特定遠程接口命令的示例，并可針對特定應用進(jìn)行調整。
示波器配有選件5-WBG-DPT，可提供專(zhuān)用的雙脈沖測量，并具備完整的遠程接口。在此應用中，可使用4B系列MSO或6B系列MSO代替5B系列MSO。
測試系統
典型的雙脈沖測試系統如圖2所示，用于測量低側自動(dòng)開(kāi)關(guān)參數和時(shí)序分析。這種設置需要一個(gè)具有四個(gè)或更多通道的4B、5B或6B系列MSO。對于DPT開(kāi)關(guān)參數，需要測量低壓側的VDS、ID和VGS ，因此需要三個(gè)探頭——兩個(gè)用于電壓測量，一個(gè)用于電流測量。自動(dòng)化腳本還可以通過(guò)與適當的探頭進(jìn)行高壓側連接來(lái)支持高壓側測試。
被測設備 (DUT) 的柵極由AFG31000任意/函數發(fā)生器驅動(dòng)。圖2顯示了驅動(dòng)VDD的大電流電源，這是典型的雙脈沖測試設置。不過(guò)，在這個(gè)低電流示例中，使用了吉時(shí)利三輸出電源為柵極驅動(dòng)器供電，并提供VDD。示例設置的照片如圖3所示。
示波器配備了選件5-WBG-DPT，可提供專(zhuān)用的雙脈沖測量和完整的遠程接口。示波器中的 WBG 軟件還可用于控制AFG31000任意/函數發(fā)生器并生成柵極驅動(dòng)信號。在本示例中，個(gè)人計算機、示波器和函數發(fā)生器均通過(guò)局域網(wǎng)連接（圖1）。
圖1. 電腦、示波器和函數發(fā)生器通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行通信
圖2. 雙脈沖測試系統示例的原理圖，配置用于對低壓側FET進(jìn)行測量。如圖3所示，本應用文章中的實(shí)際設置使用了低電流電源
圖3.本應用文章使用的系統包括MSO58B示波器、VDS上的THDP0200高壓差分探頭、ID上的TCP0030A電流探頭、VGS上的TPP1000單端電壓探頭、用于柵極脈沖的AFG31252函數發(fā)生器，以及輸出端為柵極驅動(dòng)器和VDD供電的2230G-30-1三路輸出電源
圖3顯示了示波器、函數發(fā)生器和電源與DUT的連接。屏幕截圖（圖4）顯示了示波器上DPT分析軟件生成的豐富測量數據：
■ 導通電量，Eon
■ 關(guān)斷電量，Eoff
■ 峰值電壓，Vpeak
■ 峰值電流，Ipeak
■ 開(kāi)啟延時(shí)，Td（開(kāi)啟）
■ 關(guān)斷延時(shí)，Td（關(guān)閉）
■ 上升時(shí)間，Tr
■ 下降時(shí)間，Tf
■ 導通時(shí)間，Ton
■ 關(guān)斷時(shí)間，Toff
■ 電壓轉換速率，d/d
死區時(shí)間測量雖然不用于此設置，但可用來(lái)測量低壓側和高壓側開(kāi)關(guān)之間的時(shí)序。
圖4. 示波器屏幕截圖顯示了雙脈沖電壓和電流波形以及測量結果
測試自動(dòng)化腳本
本節將介紹Python腳本示例，包括總體流程和組成腳本的功能塊。
腳本由四大功能模塊組成
示波器和探頭初始化
探頭通道配置
探頭設置配置
示波器初始化和模式設置
示波器垂直設置自動(dòng)設置
產(chǎn)生脈沖
根據捕捉到的波形調整所有模擬通道的垂直設置
雙脈沖測試初始化
測試項目的選擇
測試項目配置
AFG脈沖創(chuàng )建和連接
雙脈沖測試和結果保存
脈沖發(fā)生
測試結果的獲取和保存
測試流程如下圖所示。在演示腳本中，測試參數和測試開(kāi)關(guān)（例如：是否使用自動(dòng)設置或調整當前通道偏置）在腳本開(kāi)始時(shí)設置為常量，初始化部分結束后，配置儀器，執行測試主循環(huán)并生成結果。
功能塊說(shuō)明
如前所述，DPT測試自動(dòng)化演示腳本由四個(gè)功能塊組成。本節將解釋各功能塊的設計理念和操作方法。關(guān)于輸入參數配置，請參閱腳本開(kāi)頭 ' 用戶(hù)輸入設置 ' 部分的注釋。
功能模塊1 - 示波器和探頭初始化
該功能用于初始化探頭和示波器系統。
要測量VDS、ID和VGS，需要兩個(gè)電壓探頭和一個(gè)電流探頭。
探頭初始化過(guò)程如下：
禁用通道1并從屏幕上刪除通道1顯示。
1. 啟用三個(gè)通道（用戶(hù)在參數設置中定義的兩個(gè)電壓通道和一個(gè)電流通道）。
2. 設置電流通道的極性，因為用戶(hù)可能會(huì )因連接錯誤或其它測試要求而希望翻轉電流方向。
3. 根據需要設置替代單位比率，如安培/伏特（例如，使用分流電阻器測量電流時(shí)）。
4. 在設置中配置用戶(hù)定義的通道糾偏參數。
示波器初始過(guò)程如下：
1. 如果用戶(hù)自定義設置 'rst_scope_ena ' 被設為1，則恢復默認設置。
2. 啟用高分辨率模式，提供更精確的測量能力。
3. 將水平設置模式切換為手動(dòng)模式，根據測試要求設置采樣率和記錄長(cháng)度。
4. 根據用戶(hù)定義的脈沖設置輸入計算所需的采樣率。
5. 根據用戶(hù)定義的值設置觸發(fā)位置。如果用戶(hù)定義的值小于0，則使用默認值25，即屏幕上25%的水平位置。
6. 將觸發(fā)類(lèi)型設為邊沿觸發(fā)。
7. 將觸發(fā)源設置為VGS通道輸入。
8. 將觸發(fā)模式設置為正常和單次觸發(fā)。
9. 開(kāi)始采集。
功能模塊2 - 示波器垂直設置和自動(dòng)設置
如果通過(guò)將用戶(hù)定義參數 'autoset_vertical_ena ' 設為1打開(kāi)了垂直自動(dòng)設置功能，則將啟用自動(dòng)設置功能，并根據輸入信號幅度自動(dòng)調整垂直刻度和偏置。
如果禁用自動(dòng)設置功能，則所有三個(gè)通道的垂直刻度設置都將使用參數輸入界面進(jìn)行用戶(hù)定義垂直設置。所有三個(gè)通道都有自己的子開(kāi)關(guān)切換，可分別獨立啟用/禁用每個(gè)通道的自動(dòng)設置。
三個(gè)通道的垂直刻度自動(dòng)設置步驟相同。
詳細的自動(dòng)設置步驟如下：
1. 根據用戶(hù)定義的輸入信號幅度初始化通道刻度，例如，Vgs為 'vgs_amplitude'，Vds為 'vds_amplitude'，Id為'id_amplitude'。
2. 將自動(dòng)設置進(jìn)程狀態(tài)標志設置為0并啟動(dòng)循環(huán)。當標志到達3時(shí)，當前通道的自動(dòng)設置完成，循環(huán)將停止。
3. 添加 'WBGEON' 測量項目，并在測試項目中配置AFG以產(chǎn)生脈沖。
4. 啟用輸入通道的最大和最小測量功能，并將標志設置為1。
5. 獲取當前垂直設置以及通道輸入信號的最小和最大測量值。
6. 使用用戶(hù)定義的 'vertical_autoset_ratio' 快速收斂輸入信號的幅度到有效通道測量范圍，并將標志設置為2。
7. 繼續獲取當前垂直分辨率以及通道輸入的最小值和最大值。微調通道刻度和偏置，以滿(mǎn)足用戶(hù)定義的誤差范圍。
8. 編程設置并繼續執行相同的程序，直到達到用戶(hù)定義的目標誤差范圍。標志將設置為3，自動(dòng)設置完成。
9. 刪除測量項目并結束循環(huán)。
在本應用示例中，腳本包含用于設置垂直刻度設置的代碼。不過(guò)，使用WBG-DPT軟件包中的預置功能通常會(huì )更方便。WBG-DPT預置簡(jiǎn)化了自動(dòng)設置程序。它使用用戶(hù)指定的雙脈沖設置來(lái)預設示波器的最佳垂直、水平、觸發(fā)和采集設置。預置后，只需從WBG-DPT測量面板運行柵極激勵，即可讓AFG31000生成雙脈沖輸出。
功能模塊3 - 雙脈沖測試初始化
1. 將所有測試項目添加到測試列表中。演示腳本支持以下測量。
WBGEON ---- 導通電量（Eon）
WBGEOFF ---- 關(guān)斷電量 (Eoff)
WBGVPEAK ---- Vds（峰值）：發(fā)射極至集電極電壓
WBGIPEAK ---- Id( 峰值 )
WBGTDON ---- td(on) - 導通延時(shí)時(shí)間
WBGTDOFF ---- td(off) - 關(guān)斷延時(shí)時(shí)間
WBGTR ---- Tr - 上升時(shí)間
WBGTF ---- Tf - 下降時(shí)間
WBGTON ---- t(on) - 導通時(shí)間
WBGTOFF ---- t(off) - 關(guān)斷時(shí)間
WBGDDT ---- WBGDDTdv/dt和di/dt
可根據用戶(hù)需求和腳本修改支持更多測試項目。
2. 為每個(gè)測試項目設置信號源。
3. 將設置寫(xiě)入AFG以生成測試脈沖。請注意，5B系列MSO固件V2.6.38要求通過(guò)WBG命令發(fā)送的AFG設置與最后配置的測量相關(guān)聯(lián)。
功能模塊4 - 雙脈沖測試和保存結果
1. 發(fā)送觸發(fā)命令 'WBGGSTIM'，啟動(dòng)測試循環(huán)并產(chǎn)生脈沖。
2. 等待采集完成。
3. 通過(guò)命令行讀取并顯示全部11個(gè)項目的測試結果。
4. 如果 'remote_table_save_ena' 設置為1，則測試結果表將保存到示波器上的文件中。
5. 如果 'remote_screen_save_ena' 設置為1，屏幕截圖將保存到示波器上的文件中。
6. 如果 'remote_wfm_save_ena' 設置為1，波形將被保存到示波器上的文件中。
7. 如果 'remote_session_save_ena' 設置為1，會(huì )話(huà)將被保存到示波器上的文件中。
8. 如果 'local_wfm_save_ena' 設置為1，波形將被保存到運行Python腳本的PC上的文件中。
9. 如果 'local_table_ save_ena' 設置為1，測試結果表將保存到運行Python腳本的計算機上的文件中。
10. 重復測試，直到達到用戶(hù)定義的循環(huán)次數。
11. 釋放內存并結束測試。
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