SiC MOSFET 双脉冲测试装置

SiC MOSFET 双脉冲测试装置

2011 年 2 月

SiC MOSFET 双脉冲测试装置

Bob Callanan ，Cree Inc

W R -A N 09，R E V -C M O S F E T

双脉冲测试装置 - 2011 年 2 月本文描述了一种双脉冲测试装置，它适合用于确定碳化硅 (SiC) MOSFET 的特征。该装置是一个课本大小的双脉冲测试器，它将所有关键元件都布置在单块印刷电路板上，以提供可重复的测量。测试装置的照片如图 1 所示。

测试器的原理图如图 2 所示。该测试装置包含用于 MOSFET 的测试座 (J6)、栅极驱动器 (U1)、电容

组 (C1-C9)、续流二极管 (D1)，以及一个紧密集成的双级电流互感器 (T1)。可以通过 BNC 接头 (J7 & J10) 监测 VDS 和 VGS 。这些接头的目的不是为了使用同轴电缆，而是使用同轴电缆来探测转接器，以免需要探头接地线夹。这样，就避免了接地线夹电线的寄生电感妨碍电压测量的情况。漏极电流用一个双级电流互感器来测量，该互感器包含一个小的 1:10 铁氧体第一级互感器，以及一个 Pearson Electronics 2878 型电流传感器用于第二级。得到的比例因子是 1V=100A 。使用九个聚丙烯薄膜电容器 (C1-C9)，为测试器提供低电感电压源。VCC 、GND 和 –VEE 是栅极驱动器的输入电压。VCC 设置栅极脉冲高电压的值，VEE 设置栅极脉冲低电压的值。VCC 和 –VEE 之间的最大电压为 30V 。驱动脉冲应用于脉冲发生器输入 BNC 接头。建议使用 +10 到 +12V 的脉冲来导通栅极脉冲。此输入端接到 50 Ω 电阻，以匹配 50 Ω 同轴电缆。端接电阻器 (R3 和 R4) 具有最大 0.5 W 的总额定功率，因此必须适当地限制输入脉冲占空系数 (~10%)，以避免它们烧掉。电感器跨“低负载” (LOAD LOW) 和“高负载” (LOAD HIGH) 端子连接。推荐的电感值为大约 850 µH 。可以用一个空芯电感器来实现该电感值，方法是将单层 107 圈的 AWG 18 磁力线，绕在长度为 4”Schedule 40 PVC 管 (外径 = 4.5”) 上。

图 1：SiC MOSFET

双脉冲测试器

URN

VCC

GND

-VEE

EXTERNAL INDUCTOR CONNECTIONS

图 2：SiC MOSFET 双脉冲测试器原理图

测试器顶部的照片如图 3 所示。也可以选择将 BNC 接头安装在板的顶部或底部。本例中，BNC 接头安装在背侧，以使 ThermoStream 测试头能放置在被测器件的上方。(请注意，当将 BNC 接头安装在背侧时，请勿使接头与 PCB 齐平，否则可能发生短路，可使用一个临时垫片来辅助安装)。所有电源连接都是采用香蕉插头，可以从电路板的顶部一侧或底部一侧插入。

图 3：SiC MOSFET 双脉冲测试器顶视图

测试器的底部一侧如图 4 所示。大部分板元件都是安装在板的背部。D1 安装在一个端子台中，因此可以移除并替换成电阻器，以进行探头偏移校正。所示的跳线是在原理图中标示的跳线，用于 VDS BNC 接头的中心引脚。请注意，栅极驱动器板是上下颠倒安装的。双级电流互感器 (T1) 安装在底部。Pearson 电源传感器的输出连接到 SMA-SMA 转接器，然后连接到 SMA - BNC 闷头转接器，后者再连通至顶部一侧。

BNC 接头安装

图 4：SiC MOSFET 双脉冲测试器底视图

第一级电流互感器的详细视图如图 5 所示。该互感器的结构是，10 圈 AWG 26 规格的实心铜质 Teflon 绝缘线，缠绕在一个 Ferroxcube TC9.5/4.8/3.2-3E27 铁氧体环状线圈上。中心导体是适合于 1.5 kV 测试的强绝缘 AWG 22 总线。图 6 显示了栅极驱动器板。该板是“碳化硅隔离式栅极驱动器”应用说明 CPWR-AN10 中所描述的隔离式栅极驱动器板的修改版本。该板经过修改，可省略 DC-DC 转换器，允许直接连接到栅极驱动电源。请注意，插座头安装在板的顶部一侧，使板能上下颠倒安装。

图 5：T1 第一级细节

图 6：隔离式栅极驱动器板， 移除和省略了 DC-DC 转换器

要精确测量，必须校正电压和电流探头，以确保所有延迟均相同。电压探头的校正比较容易，只需将两个探头都连接到一个脉冲发生器输出，并在示波器上调节通道补偿，使得两个脉冲时间同步。VDS和 ID探头的偏移校正方法是移除电感器，并将二极管 D1替换成低电感的 100 Ω电阻器。推荐使用 Caddock MP930-100-1%或等效电阻器。偏移校正过程中必须小心，确保将 VDD设置到低于电阻器最大额定脉冲的水平。上述电阻器的最大值是 250V。

双脉冲栅极驱动的示例波形如图 7 所示。MOSFET VDS 和 ID 相应的示例波形如图 8 所示。该脉冲列由两个脉冲组成，重复频率为大约 1-2 Hz。第一个脉冲 (~ 22 µsec) 用来建起电感器中的电流。根据所需的测试电流调节宽度。当此脉冲终止后，ID 从 MOSFET 换向至续流二极管。此转换过程用来测量 MOSFET 的关断特性。第一个和第二个脉冲之间有大约 3 µsec 的延迟。此延迟的持续时间设置得足够长，使电压和电流趋于稳定，如果该测试装置用来评估 Si IGBT，可能需要将时间设置得更长，以确保足以让拖尾电流稳定下来。第二个窄脉冲 (~ 2 µsec) 在数微秒后发生。在此转换过程中，电流从续流二极管换向回到 MOSFET，且在该点上测量 MOSFET 的导通特性。

图 7：示例栅极驱动脉冲 图 8：示例波形

导通时 VDS 和 ID 的示例波形如图 9 中所示。请注意，导通期间会出现非常少量的电流过冲。这是因为，与高速硅 PiN 二极管相比，SiC JBS 二极管中存储了非常少量的电荷。关断时 VDS 和 ID 的示例波形如图 10 中所示。 在 VDS 和 ID 中均观察到振荡，这通常不会在硅 IGBT 中观察到。原因是 SiC MOSFET 没有电流拖尾。