隨著 SiC、GaN 等新型功率器件的廣泛應(yīng)用，功率器件動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)速度、同步精度和靈活性提出了更高要求。本文基于 Liquid Instruments 的 Moku 平臺(tái)，提出一種可重構(gòu)、高集成度的功率器件動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)集成示波器、信號(hào)源、PID 控制器及數(shù)據(jù)記錄儀等多種功能，Moku 平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)一體化構(gòu)建與自動(dòng)化控制，顯著降低開(kāi)發(fā)成本與復(fù)雜度，同時(shí)保證測(cè)量精度和可擴(kuò)展性，為功率電子測(cè)試提供了靈活、高效的解決方案。

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行業(yè)背景與測(cè)試挑戰(zhàn)

在功率半導(dǎo)體快速發(fā)展的背景下，基于新型材料的MOSFET、IGBT 等器件在開(kāi)關(guān)速度與效率持續(xù)提升，這對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的帶寬、響應(yīng)速度及同步采樣能力提出了更高要求。傳統(tǒng)測(cè)試方案依賴(lài)多臺(tái)分體儀器（如高帶寬示波器、信號(hào)源、控溫模塊等），導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、通信與同步難度大。工程師在搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)不僅要處理多儀器接口、觸發(fā)同步和數(shù)據(jù)對(duì)齊問(wèn)題，還需投入大量時(shí)間進(jìn)行程控開(kāi)發(fā)。

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功率器件動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試需求

動(dòng)態(tài)特性包含開(kāi)通特性測(cè)試，關(guān)斷特性測(cè)試以及短路特性測(cè)試。測(cè)試時(shí)記錄功率器件在不同控制信號(hào)及負(fù)載條件下的電流、電壓波形，通過(guò)分析波形數(shù)據(jù)計(jì)算出功率器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間參數(shù)，開(kāi)關(guān)損耗，動(dòng)態(tài)阻抗等參數(shù)。動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試作為評(píng)估功率器件的核心手段之一，其重要價(jià)值表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：（1）性能評(píng)估：通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)試，可以準(zhǔn)確評(píng)估功率器件在實(shí)際工作條件下的性能，包括響應(yīng)速度、效率、損耗、穩(wěn)定性等。這有助于優(yōu)化器件設(shè)計(jì)和選擇最適合特定應(yīng)用的器件；（2）應(yīng)用匹配：通過(guò)了解器件的動(dòng)態(tài)特性，可以更準(zhǔn)確地匹配器件與特定應(yīng)用需求，確保器件在實(shí)際應(yīng)用中能夠達(dá)到最佳性能和效果；（3）可靠性分析：動(dòng)態(tài)測(cè)試可以揭示器件在不同工作條件下的可靠性和耐用性，同時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)試也能為器件結(jié)溫估算提供必須數(shù)據(jù)支撐，而結(jié)溫是器件可靠運(yùn)行的核心要素之一。這對(duì)于預(yù)測(cè)器件的壽命、提前檢測(cè)潛在故障并采取相應(yīng)的維護(hù)措施均至關(guān)重要；（4）優(yōu)化設(shè)計(jì)：動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果可以為器件設(shè)計(jì)提供反饋，幫助工程師識(shí)別和解決設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，從而改進(jìn)器件的性能和效率?？傮w而言，功率器件動(dòng)態(tài)測(cè)試不僅可以提供關(guān)于器件性能、可靠性和穩(wěn)定性的寶貴信息，還可以為優(yōu)化設(shè)計(jì)、匹配應(yīng)用和節(jié)約成本提供有力支持，對(duì)于確保器件在各種應(yīng)用場(chǎng)景中高效和高效運(yùn)行具有十分重要的意義。

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典型測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

目前業(yè)內(nèi)功率器件動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試評(píng)估主要通過(guò)雙脈沖測(cè)試來(lái)進(jìn)行，雙脈沖測(cè)試簡(jiǎn)化原理說(shuō)明如圖1：

圖1 雙脈沖測(cè)試原理圖

圖中 Vcc 為高壓電源，為測(cè)試系統(tǒng)主功率回路提供能量；DUT 為待測(cè)器件，可以是MOSFET, IGBT, Diode 等開(kāi)關(guān)器件或其對(duì)應(yīng)模塊；Ls 為測(cè)試回路分布電感，在進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)該寄生單數(shù)越小越好，具體實(shí)現(xiàn)方式可查詢(xún)相關(guān)技術(shù)資料本文不再敘述；L 為負(fù)載電感，D 為負(fù)載電感的續(xù)流回路，在功率器件關(guān)斷時(shí)為電感提供續(xù)流通路，若去掉續(xù)流二極管本電路則變?yōu)檠┍滥芰繙y(cè)試電路，可以用于評(píng)估功率器件雪崩能力（圖1顯示的是功率器件感性負(fù)載開(kāi)關(guān)測(cè)試系統(tǒng)，若將 L 和 D 整體替換為電阻則整個(gè)系統(tǒng)變?yōu)樽栊蚤_(kāi)關(guān)測(cè)試系統(tǒng)）；與待測(cè)器件（DUT）控制極相連的 VGG1, VGG2 分別提供驅(qū)動(dòng)待測(cè)器件開(kāi)通和關(guān)斷的電壓信號(hào)，與其互聯(lián)的電阻為開(kāi)通/關(guān)斷的限流電阻，用以調(diào)整待測(cè)器件的開(kāi)通/關(guān)斷速度，這部分電路具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式一般為信號(hào)發(fā)生器搭配推挽放大電路或者驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)，信號(hào)發(fā)生器提供脈寬可調(diào)制的控制信號(hào)，推挽放大電路或者驅(qū)動(dòng)模塊直接與待測(cè)器件控制極相連。采用以上原理圖進(jìn)行測(cè)試時(shí)首先通過(guò)將 Vcc 設(shè)置為特定的電壓，然后控制信號(hào)發(fā)生裝置驅(qū)動(dòng)待測(cè)器件開(kāi)通關(guān)斷兩次，在此過(guò)程中采用示波器監(jiān)控記錄幾個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的電壓、電流波形，需記錄的波形節(jié)點(diǎn)位置如圖1中紅圈所示。測(cè)試過(guò)程中采集到的波形如下圖2所示：

圖2測(cè)試過(guò)程中需采集波形示意圖

圖2中上半部分為控制極電壓波形，VGG1為待測(cè)器件開(kāi)通所需控制極電平,VGG2 為待測(cè)器件關(guān)斷所需控制極電平；下半部分的 Ic 和 Vce 分別為待測(cè)器件輸出端口的電流信號(hào)和電壓信號(hào)。通過(guò)分析以上波形即可得到待測(cè)功率器件在電路中做電子開(kāi)關(guān)使用時(shí)的開(kāi)通和關(guān)斷行為特性，如時(shí)間，損耗等參數(shù)。將待測(cè)器件與控溫部件相結(jié)合則可實(shí)現(xiàn)不同溫度下開(kāi)關(guān)測(cè)試功能。圖1中若將電感L及續(xù)流二極管整個(gè)短路即可變?yōu)楣β势骷搪窚y(cè)試電路，可用于評(píng)估功率器件短路耐受能力，測(cè)試原理示意圖如圖3所示。

圖3 短路測(cè)試原理示意圖

基于以上分析可知完成該項(xiàng)測(cè)試需匹配的資源如下：

1. 示波器用于采集待測(cè)器件波形數(shù)據(jù)；
2. 信號(hào)發(fā)生器用于為待測(cè)器件提供開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；
3. 高壓電源，為測(cè)試系統(tǒng)主功率回路提供能量；
4. 控溫部件一般由 PID 控制器及熱板構(gòu)成，為待測(cè)器件提供可控溫度環(huán)境，實(shí)現(xiàn)不同溫度下開(kāi)關(guān)測(cè)試功能；
5. 安全連鎖裝置，系統(tǒng)帶高壓時(shí)操作區(qū)域安全鎖及高壓狀態(tài)指示燈，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試人員及系統(tǒng)的安全保護(hù)；
6. 計(jì)算機(jī)提供上位機(jī)軟件運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)波形數(shù)據(jù)處理及測(cè)試系統(tǒng)整機(jī)控制功能。
   

測(cè)試系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖4所示：

圖4 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)有市場(chǎng)主要提供定制化產(chǎn)品或由實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員搭建的系統(tǒng)，這不僅增加了復(fù)雜度和成本，還面臨信號(hào)一致性、抗干擾能力及設(shè)備管理上的挑戰(zhàn)。

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基于 Moku 平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)

Moku 采用 FPGA 可重構(gòu)架構(gòu)，將多種常用實(shí)驗(yàn)儀器功能集成于單臺(tái)設(shè)備中，包括示波器、信號(hào)發(fā)生器、PID 控制器、數(shù)據(jù)記錄儀、鎖相放大器等。用戶(hù)可在幾秒鐘內(nèi)切換或并行運(yùn)行多個(gè)儀器功能，實(shí)現(xiàn)高靈活度的系統(tǒng)搭建。以上圖示測(cè)試架構(gòu)中多個(gè)儀器功能可以?xún)H通過(guò)一臺(tái) Moku 設(shè)備替代。

圖5 使用 Moku 多儀器并行構(gòu)建高度自定義的測(cè)試系統(tǒng)，一臺(tái)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)靈活且高效的測(cè)試方案在功率器件動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)中，考慮到功率器件測(cè)試場(chǎng)景要求的示波器帶寬及通道數(shù)量，這里以 Moku:Pro 型號(hào)為例，Moku:Pro 具備四個(gè)輸出通道，4個(gè)輸入通道，系統(tǒng)集成時(shí)考慮充分利用這些輸入輸出端口資源，結(jié)和 Moku 設(shè)備的多儀器并行功能，可采用如下方案：

1. 3個(gè)輸入端口作為示波器3個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，分別采集待測(cè)功率器件的電壓，電流及控制極信號(hào)；
2. 2個(gè)輸出端口可作為信號(hào)發(fā)生器的控制信號(hào)輸出端口用于給待測(cè)功率器件提供柵極控制信號(hào)；
3. 1個(gè)輸入端口與1個(gè)輸出端口作為PID控制器的信號(hào)輸入與輸出端口，通過(guò)與外部控溫?zé)岚逑噙B實(shí)現(xiàn) PID 溫度控制器功能，為待測(cè)器件提供可控溫度環(huán)境；
4. 最后1路輸出端口可用于測(cè)試系統(tǒng)安全連鎖，如驅(qū)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)狀態(tài)指示燈及安全鎖等；
5. 基于以上資源分配方案在計(jì)算機(jī)上做系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)，如采用 LabVIEW，Python 等編寫(xiě)控制軟件，同時(shí) Moku 提供功對(duì)應(yīng)編程平臺(tái)功能完善的 API 庫(kù)函數(shù)，這使得軟件編寫(xiě)更為簡(jiǎn)單高效，可進(jìn)一步提升系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率。

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Moku 動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：精準(zhǔn)、高效、經(jīng)濟(jì)

Moku 平臺(tái)憑借可重構(gòu)硬件架構(gòu)與軟件定義儀器技術(shù)，將信號(hào)生成、測(cè)試分析、控制調(diào)節(jié)等15+種儀器功能集成到一臺(tái)設(shè)備，為功率器件動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試提供了一整套靈活、高效且成本可控的解決方案。與傳統(tǒng)多儀器方案相比，基于 Moku 的測(cè)試系統(tǒng)在以下方面具有顯著優(yōu)勢(shì)：

• 極大的成本優(yōu)勢(shì)：Moku 單臺(tái)設(shè)備豐富的儀器資源，在功率器件測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)單臺(tái)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)示波器，信號(hào)發(fā)生器，PID 控制器等集成測(cè)試系統(tǒng)所必須的硬件資源，與單獨(dú)購(gòu)買(mǎi)分體硬件資源相比會(huì)極大降低系統(tǒng)硬件成本；
• 系統(tǒng)集成度高：同樣也是因?yàn)橐粰C(jī)多用的特點(diǎn)，采用 Moku 方案進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)可極大減小系統(tǒng)體積，使其更適用于實(shí)驗(yàn)室及研發(fā)測(cè)試等應(yīng)用場(chǎng)景；
• 極大降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度：與傳統(tǒng)分體硬件方案相比，采用 Moku 方案可極大降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工作量及技術(shù)難度。例如，采用分體硬件方案，開(kāi)發(fā)人員可能需要研讀不同儀器技術(shù)手冊(cè)，了解其程控通信方式，指令集等，然后占用多路通信資源，在計(jì)算機(jī)上編寫(xiě)程序分別控制這些硬件資源，甚至需要進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安裝功能。而采用 Moku 方案后因?yàn)檫@些硬件資源均有同一臺(tái)設(shè)備提供，這極大的降低了儀器程控的工作量，程序編寫(xiě)也變的更為簡(jiǎn)單，同時(shí)也可省去嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需求。
• 精確同步：多儀器并行模式支持最多 8 個(gè)儀器同時(shí)運(yùn)行，儀器間數(shù)字互聯(lián)和時(shí)鐘總線設(shè)計(jì)減少物理線纜，降低噪聲、相位和時(shí)序偏差；
• 可編程與自動(dòng)化：支持 Python、MATLAB、LabVIEW API，快速構(gòu)建自動(dòng)化測(cè)試流程；FPGA 可編程性允許自定義信號(hào)處理算法，與其他儀器功能無(wú)縫結(jié)合；
• 數(shù)據(jù)分享：可遠(yuǎn)程監(jiān)控與協(xié)作、實(shí)時(shí)分享數(shù)據(jù)。