功率半導體器件的動態測試中，雙脈沖測試是一個典型的測試需求，本文將從雙脈沖測試原理、過程、主要測試內容等方面為大家說清雙脈沖測試。

雙脈沖測試原理

功率半導體器件具有幾十種參數來表征其特性，通過參數可以幫助工程師更好地完成產品的設計。功率半導體器件參數綜合而言可以分為三大類：

器件最值，包括器件極限工作點相關的參數，如擊穿電壓、熱阻抗、最大耗散功率、最大漏極電流和安全工作區等；

靜態參數，包括器件的工作點的電壓電流關系，如傳遞特性、閾值電壓、輸出特性、導通電阻、二極管導通特性、第三象限導通特性等；

動態特性，包括器件的開關過程、反向恢復過程、柵電荷、結電容等。

三類測試中，以動態特性測試最為復雜，而雙脈沖測試主要就是針對器件動態特性進行的。如圖1是典型的半橋電路，是一個典型的雙脈沖測試電路，電路由被測器件QL、陪測二極管VDH、負載電感L、驅動電壓源VBus，脈沖控制信號源VDRV組成。測試過程中通過脈沖控制源VDRV輸出脈沖，控制QL進行開斷，得到器件在指定電壓、電流下的開關特性。

圖1  雙脈沖測試電路

雙脈沖測試信號如圖2所示，在t0時刻啟動驅動電壓源VBus，t0-t2時段為被測器件QL關斷信號，t2-t3為導通時段，t3-t4為關斷時段，t4-t5為導通時段。t5之后徹底關斷器件，并將驅動電壓源VBus下電，測試結果。為了更好地理解整個測試過程，我們進一步分解每個過程的電路變化。

圖2  雙脈沖信號

在t0-t2時刻，電路狀態如圖3所示，電路驅動電壓源VBus啟動，輸出器件QL所需的指定電壓Vset,此時由于器件QL還處于短路狀態，因此VDS逐漸上升至Vset,回路之中沒有電流產生。

圖3  t0-t2狀態電路

在t2-t3時刻，電路狀態如圖4所示，由于已經器件QL導通，回路有效，回路中產生電流IL和IDS，由于存在電感L，電流無法突變，因此IL和IDS會逐漸升高至器件QL所需的指定電流Iset，此時VDS為零。

圖4  t2-t3狀態電路

在t3-t4時刻，電路狀態如圖5所示，此時器件QL關斷，QL回路無效，電流IDS為零，但由于電感電流無法突變，電流IL依舊存在，并通過陪測二極管VDH形成電流IF，此時VDS與Vset電壓相等。

圖5  t3-t4狀態電路

在t4-t5時刻，電路狀態如圖6所示，此時器件QL再次導通，由于t3-t4時段中電感回路產生的電流IL持續有效，因此在此時間段內，IDS的值將會進一步升高，超出器件QL指定電流Iset，此時VDS再次為零。

圖6  t4-t5狀態電路

我們將各參數在各時間段的變化繪制在一個坐標圖中，如圖7所示。整個過程中器件QL經過了兩次導通和關斷，形成兩個脈沖，因此得名雙脈沖測試。在雙脈沖過程中，t2時刻為導通時刻，t3時刻為關斷時刻，記錄這個兩個時刻過程的VGS、VDS電壓、IDS電流波形，就可以對器件開關特性進行分析和評估了。此外t4時刻不僅是器件再次導通時刻，還是陪測二極管VDH反向恢復過程，此時記錄電壓、電流波形可以分析出器件反向恢復相關特性。

圖7  雙脈沖測試過程時序

雙脈沖測試的項目內容

雙脈沖測試主要實現的是功率半導體的動態特性測試，動態特性主要包括開關特性、反向恢復、結電容、柵電荷等幾部分，其具體包括的測試項目如表1所示。

表1  雙脈沖測試項目內容

雙脈沖測試所需硬件組成

如圖8所示是雙脈沖測試平臺結構圖，包括測試板、直流電源、輔助電源、信號發生器、示波器、電壓探頭、電流探頭等硬件組成。

圖8  雙脈沖測試平臺結構圖

測試板：包括主功率電路、驅動電路、去耦電容、母線電容、對外接口，一般由測試人員自行設計，確保實現所需測試無誤，測試板需要根據被測產品不同而進行調整。

直流電源：在雙脈沖測試中，為母線電容充電，起到提供母線電壓的作用，對其基本要求是其輸出電壓能夠滿足測試要求，特別需要考慮電壓等級，輸出電流能力等。

輔助電源：輔助電源一般用于為驅動電路供電，一般以臺式直流源為主。

信號發生器：在雙脈沖測試過程中需向驅動電路發生雙脈沖信號指令，可以由測試者使用MCU開發板完成，或者選擇單獨的信號發生器產品亦可。

示波器：雙脈沖測試中最重要的設備就是示波器，示波器的選擇要充分考慮被測設備的上升時間、頻率響應時間，因此對示波器的帶寬有一定要求。隨著目前功率器件開關頻率的上升，示波器的帶寬一般要求不小于500MHz。其次為準確測量雙脈沖過程中的電壓、電流數據，對示波器本身的測量精度、底噪要求會比較高，最好采用高位數ADC的示波器產品。

ZUS系列是致遠儀器推出的采用12bit高速ADC，實現最高1GHz測量帶寬，并配備了電源分析、智能硬件時序分析、汽車總線分析、以太網眼圖、X-Key等功能的高精度示波器，非常使用用于雙脈沖測試。

圖9  ZUS系列高精度示波器

電壓探頭：由于功率器件在開關瞬間往往會有較高的電壓，因此電壓采集一般采用高壓差分探頭，在雙脈沖測試中需要選擇帶寬足夠高、共模抑制比足夠大的差分探頭，更好的選擇是使用光隔離探頭。

致遠儀器推出的ZOP5035系列光隔離探頭，具有超高共模抑制比，最大差分電壓測量可達2500V，具備500MHz帶寬，非常適合用于雙脈沖測試。

圖10  ZOP5035光隔離探頭

電流探頭：雙脈沖測試中需要測試電流信號，需要匹配電流探頭，與差分探頭一樣需要考慮電流探頭的帶寬、量程范圍。

致遠儀器推出的ZCP系列電流探頭，具有量程寬，帶寬高，兼容性好等特點。

圖11  ZCP系列電流探頭

時間偏移校準夾具：因為示波器采用了差分探頭和電流探頭，而且雙脈沖測試中電壓、電流頻率較高，探頭在測試高頻信號時會產生一定的延遲。在測試中需要校準探頭延時，以消除延時影響。因此需要配套時間偏移夾具進行校準。

致遠儀器提供的ZDF1000校準夾具支持LARGE LOOP/SMALL LOOP工作模式，可以輸出12KHz方波信號用于探頭校準。

圖12  ZDF1000校準夾具

隨著行業測試需求的提升，致遠儀器將立足行業需求，不斷推出新的測試方案，為行業發展提供助力。