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第三代半导体器件的测试挑战

第三代半导体器件毫不夸张的讲为电源行业带来了革新,基于其高速,小体积,低功耗的特点,越来越广泛应用在消费电子及电力电子行业。下图显示了不同技术的功率器件的性能区别。可以看到,传统的Si基IGBT或者MOSFET管要么分布在高压低速的区间,要么分布在低压高速的区间,市面上传统的探测技术可以覆盖器件特性的测试需求。但是第三代半导体器件SiC 或GaN的技术却大大扩展了分布的区间,覆盖以往没有出现过的高压高速区域,这就对器件的测试工具提出非常严苛的挑战。




今年在国家发布的新基建中,5G通讯电源、新能源逆变器和电动汽车驱动等领域,SiC和GaN器件将得到越来越广泛的应用,这给工程师进行电源转换器产品设计带来更多的机遇,也带来了全新的设计挑战。本文将和大家探讨当下的行业现状以及如何攻克测试难题。


目前很多工程师在桥式电路设计中都是以低压侧开关特性来评价器件及设计驱动电路,因为有“接地”参考,似乎只要带宽满足,电压范围满足就可以了,但是事实上很多人忽略了其实高压侧和低压侧在驱动和特性本身并不是相同的,不能通过下管测试推算上管测试,但是为什么工程师不真正来测试高压侧Vgs呢?主要是因为目前没有合适的探头和方法能测试准确高压侧驱动信号,它会受到带宽限制,共模抑制比的限制,信号干扰等影响,所以只能用推测或者仿真等方式来预估,很大程度上增加了产品设计的不确定性,甚至存在很大安全隐患。


泰克作为测试仪器及方案的提供商,为了解决工程师的困扰,打造了全新的IsoVu光隔离探头来完成相关的测试挑战。


我们先看传统差分探头和IsoVu光隔离探头测试相同高压侧Vgs信号效果对比。如下图所示,灰色的波形是传统差分探头测试的效果,红色的波形是泰克TIVP光隔离探头测试的效果,能真实反馈高压侧Vgs的驱动波形,真实呈现工程师想了解的驱动波形,不用再依赖经验或者猜测。



新的Tektronix IsoVu™Generation 2探头提供了无与伦比的带宽、动态范围、共模抑制以及多功能MMCX连接器的组合,为上管Vgs测量设置了新的标准,设计者终于能看到以前隐藏的信号特征,再一次引领了高压隔离探头的技术革新。


  • 1GHz光隔离探头

  • 更小的尺寸提升了DUT连接的便携性

  • 行业领先的CMRR特性

  • 完全光隔离技术

  • 完整测试系统

  • 比第一代探头体积缩小80%


使用传统差分探头几乎不可能在高速不接地系统上进行准确的测量。由于涉及更高的频率和开关速度,使用SiC和GaN等宽禁带技术的工程师面临准确测量和表征器件的巨大挑战。通过将探头与示波器的电流隔开,IsoVu探头完全改变了功率研究人员和设计人员进行宽禁带功率测量的方式。


“第一代产品面世时,IsoVu探头对我们的客户来说代表着真正的突破,因为他们可以真正了解半桥设计高侧的性能,消除重大的盲点。”泰克科技主流解决方案总经理Suchi Srinivasan说,“这次在第二代IsoVu中,将有更广泛的客户能够获得这种尖端隔离测量技术,完成产品级研发、验证和EMI故障排除等任务。”


“IsoVu技术对于支持客户在设计中采用我们的功率转换技术至关重要。”Cree科锐旗下企业Wolfspeed全球汽车现场应用工程师主管Cam Pham说,“由于电流隔离功能,IsoVu技术使我们及我们的客户能够满怀信心地准确地表征高侧事件。”


我们来看看第二代光隔离探头和第一代IsoVu探头对比,下图显示由于低压侧开关、高压侧门级和开关节点之间的寄生耦合,低压侧开关有振铃现象。再次,将IsoVu第一代的结果(左边)与第二代IsoVu的结果进行比较。右边的截图显示了第二代IsoVu的性能如何比IsoVu第一代的性能有了很大的改善。IsoVu Gen 2提供更详细,准确。


我们再来看看第二代光隔离探头和第一代IsoVu探头对比。下图显示由于低压侧开关、高压侧门级和开关节点之间的寄生耦合,低压侧开关有振铃现象。将IsoVu第一代的结果(左边)与第二代IsoVu的结果进行比较,右边的截图显示了第二代更加详细、准确,比第一代的性能有了很大改善。



IsoVu第二代探头的特点


与第一代产品一样,最新IsoVu第二代探头采用已获专利的光电技术来捕获信号并为探头供电,且不需要电气连接示波器。与传统高压差分探头相比,IsoVu探头以独一无二的方式同时提供了高带宽、宽动态范围,并在探头整个带宽上实现了同类最优秀的共模抑制比(CMRR)。非隔离探头的CMRR额定值会随着频率提高迅速下降,所以不可能进行更高频率的测量。使用光缆还可以支持长电缆,大大提高探头抗EMI能力。


在第一代IsoVu系列基础上,IsoVu第二代探头进行了大量的升级和增强,包括:


  • 更小的尺寸——TIVP系列探头的体积大约是第一代探头的五分之一,可以更简便地接入以前不可能接入的难达测量点。此外,原来单独的控制器盒已经精简,现在自含在探头的补偿盒内部。

  • 更高的灵敏度——新探头更加灵敏,在+/- 50V测量时噪声更低,在宽带隙测量中具有更高的可见度和电压灵敏度。


  • 更高的精度——新探头在许多方面增强了准确度,包括改善了DC准确度,在全部输入范围上加强了增益准确度,改善了温度漂移校正功能。这些增强功能可以更加深入地表征宽带隙设计特点,提高了能效。

  • 更少的针尖更换——传感器头上的动态范围更广,与IsoVu Gen 1相比,相同的电压范围所需的针尖更少。这缩短了执行器件测试所需的时间,消除了更换探头时可能发生的错误,也降低了客户的成本。