【導讀】碳化硅（SiC）技術已超越傳統的硅（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勢。這些優勢包括更高的開關頻率、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勢。這些優勢包括更高的開關頻率、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、無底板模塊，設計人員可以隨時進行行業標準的 SiC 升級，用于提高系統可靠性同時降低 BOM 和維護成本的設計。
SiC器件市場涵蓋廣泛的功率和應用（電動汽車充電，太陽能和風能等能量收集，電源逆變器，工業電源，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標準封裝，可根據需要進行擴展，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，可以擴展以滿足各種直流母線配置的高功率需求。
與大多數應用程序一樣，需要在開發過程中動態表征和測試系統。通過測量關鍵信號和參數，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的優勢，并生成更可靠、更高效的系統。對于來自低電壓和低速硅器件的工程師來說，測量和優化某些特性（如柵極驅動性能、開關能量和損耗、死區時間、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，以跟上高開關速度。
本文將重點介紹測量SiC相關信號的方法，并推薦相關設備，同時演示Wolfspeed的CAB011MI2FM3半橋功率模塊的示例。
通過柵極和漏極電壓測量進行碳化硅驗證
MOSFET 開關的動態測量有三個主要領域，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（和優化）能量和開關損耗、柵極特性和穩定性、定時/開關速度以及過沖/振鈴。
測量SiC功率器件的柵極電壓具有挑戰性，因為它是一個低壓信號，通常以節點為參考，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行比較時，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變得困難。如果誤解，測量偽影可能會導致設計人員增加柵極電阻，以減慢開關速度并減少振鈴。柵極上的錯誤測量通常需要顯著降低dV/dt才能消除，從而大大增加損耗，而沒有實際好處。可以理解的是，確保電壓探頭準確反映系統的實際動態至關重要。
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。從波形來看，標準差分探頭引入了實際上不存在的額外振鈴和振蕩。光學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態。
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進行測量。當使用漏源電壓探頭時，必須以防止多個接地點的方式參考系統。圖4顯示了一個接地參考探頭，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，這種效應可能會加劇。
使用電流觀察電阻（CVR）時，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參考點，可能會引入意外行為。如果重新定位CVR，使其參考點與VDS測量的參考點對齊（提供反轉信號，可通過示波器進行調整），則將消除接地環路，從而提高精度。
有關探頭接地不良的示意圖，請參見圖5。在此圖中，兩個以地為參考的探頭連接到不同電壓電平的基準電壓源。這會導致器件電流繞過CVR并流過接地引線和示波器，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進行電流測量。測量電流的另一種方法是使用羅氏線圈，因為它可以很容易地以非侵入性方式添加到電路中。Rogowski線圈的缺點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顯示了羅氏線圈帶寬的限制以及它如何影響測量的開關能量。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元件，這可能需要在PCB布局期間進行仔細規劃，并從PCB增加不需要的寄生電感。在表征SiC MOSFET的開關行為時，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，羅氏線圈在插入高頻電源環路時會少報開關損耗，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，穩態電流限制和缺乏隔離。
圖 6：激進開關條件下探頭（CVR 與羅氏線圈）的比較
探頭去偏斜和連接技術的重要性
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。如果不進行去偏斜，錯誤的測量會導致開關能量計算誤差超過30%。在去偏斜之前，重要的是自動歸零并根據需要校準探頭。
通過將V DS和VGS的電壓探頭連接到函數發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，可以對這兩個探頭進行去偏斜。該過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，以補償兩個探頭之間的時序差異。圖7顯示了這種電路板的示例。
在 執行 柵 極 測量 時， 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適用于不同PCB實現的連接器。
MMCX 連接器符合行業標準，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插入。當 MMCX 連接器不可用時，下一個最佳方法是使用可以適應行業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，可實現最佳性能。
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單、安全的連接。
理想情況下，測試點是預先確定的，并集成到柵極驅動器或評估板的PCB布局中，例如Wolfspeed KIT-CRD-CIL12N-FMC。當沒有足夠的測試點可用但需要連接到信號進行測試時，可以通過以下程序/指南添加計劃外測試點：
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短或不存在。
使用非導電熱膠、Kapton 膠帶或類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技術推動電力電子系統更小、更快、更高效。從電動汽車充電和太陽能等環保行業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保可靠性，還要充分利用SiC實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、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，請確保接地不會導致寄生電流回流到探頭中。
考慮CVR和羅氏線圈在測量電流方面的區別，以及開關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 示波器上運行自動化、準確且可重復的功率測量。
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