隨著 SiC、GaN 等新型功率器件的廣泛應(yīng)用，功率器件動態(tài)參數(shù)測試對系統(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，提出一種可重構(gòu)、高集成度的功率器件動態(tài)特性測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過集成示波器、信號源、PID 控制器及數(shù)據(jù)記錄儀等多種功能，Moku 平臺可實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)一體化構(gòu)建與自動化控制，顯著降低開發(fā)成本與復(fù)雜度，同時保證測量精度和可擴(kuò)展性，為功率電子測試提供了靈活、高效的解決方案。

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行業(yè)背景與測試挑戰(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 等器件在開關(guān)速度與效率持續(xù)提升，這對測試系統(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)測試方案依賴多臺分體儀器（如高帶寬示波器、信號源、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)時不僅要處理多儀器接口、觸發(fā)同步和數(shù)據(jù)對齊問題，還需投入大量時間進(jìn)行程控開發(fā)。

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功率器件動態(tài)參數(shù)測試需求

動態(tài)特性包含開通特性測試，關(guān)斷特性測試以及短路特性測試。測試時記錄功率器件在不同控制信號及負(fù)載條件下的電流、電壓波形，通過分析波形數(shù)據(jù)計(jì)算出功率器件的開關(guān)時間參數(shù)，開關(guān)損耗，動態(tài)阻抗等參數(shù)。動態(tài)參數(shù)測試作為評估功率器件的核心手段之一，其重要價(jià)值表現(xiàn)在如下幾個方面：（1）性能評估：通過動態(tài)測試，可以準(zhǔn)確評估功率器件在實(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：通過了解器件的動態(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：動態(tài)測試可以揭示器件在不同工作條件下的可靠性和耐用性，同時動態(tài)測試也能為器件結(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。這對于預(yù)測器件的壽命、提前檢測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)：動態(tài)測試結(jié)果可以為器件設(shè)計(jì)提供反饋，幫助工程師識別和解決設(shè)計(jì)中的問題，從而改進(jìn)器件的性能和效率。總體而言，功率器件動態(tài)測試不僅可以提供關(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，對于確保器件在各種應(yīng)用場景中高效和高效運(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)功率器件動態(tài)參數(shù)的測試評估主要通過雙脈沖測試來進(jìn)行，雙脈沖測試簡化原理說明如圖1：

圖1 雙脈沖測試原理圖

圖中 Vcc 為高壓電源，為測試系統(tǒng)主功率回路提供能量；DUT 為待測器件，可以是MOSFET, IGBT, Diode 等開關(guān)器件或其對應(yīng)模塊；Ls 為測試回路分布電感，在進(jìn)行測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)時該寄生單數(shù)越小越好，具體實(shí)現(xiàn)方式可查詢相關(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試電路，可以用于評估功率器件雪崩能力（圖1顯示的是功率器件感性負(fù)載開關(guān)測試系統(tǒng)，若將 L 和 D 整體替換為電阻則整個系統(tǒng)變?yōu)樽栊蚤_關(guān)測試系統(tǒng)）；與待測器件（DUT）控制極相連的 VGG1, VGG2 分別提供驅(qū)動待測器件開通和關(guān)斷的電壓信號，與其互聯(lián)的電阻為開通/關(guān)斷的限流電阻，用以調(diào)整待測器件的開通/關(guān)斷速度，這部分電路具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式一般為信號發(fā)生器搭配推挽放大電路或者驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)，信號發(fā)生器提供脈寬可調(diào)制的控制信號，推挽放大電路或者驅(qū)動模塊直接與待測器件控制極相連。采用以上原理圖進(jìn)行測試時首先通過將 Vcc 設(shè)置為特定的電壓，然后控制信號發(fā)生裝置驅(qū)動待測器件開通關(guān)斷兩次，在此過程中采用示波器監(jiān)控記錄幾個節(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。測試過程中采集到的波形如下圖2所示：

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

圖3 短路測試原理示意圖

基于以上分析可知完成該項(xiàng)測試需匹配的資源如下：

1. 示波器用于采集待測器件波形數(shù)據(jù)；
2. 信號發(fā)生器用于為待測器件提供開關(guān)驅(qū)動信號；
3. 高壓電源，為測試系統(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，為待測器件提供可控溫度環(huán)境，實(shí)現(xiàn)不同溫度下開關(guān)測試功能；
5. 安全連鎖裝置，系統(tǒng)帶高壓時操作區(qū)域安全鎖及高壓狀態(tài)指示燈，主要實(shí)現(xiàn)對測試人員及系統(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)處理及測試系統(tǒng)整機(jī)控制功能。
   

測試系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖4所示：

圖4 測試系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)有市場主要提供定制化產(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設(shè)備中，包括示波器、信號發(fā)生器、PID 控制器、數(shù)據(jù)記錄儀、鎖相放大器等。用戶可在幾秒鐘內(nèi)切換或并行運(yùn)行多個儀器功能，實(shí)現(xiàn)高靈活度的系統(tǒng)搭建。以上圖示測試架構(gòu)中多個儀器功能可以僅通過一臺 Moku 設(shè)備替代。

圖5 使用 Moku 多儀器并行構(gòu)建高度自定義的測試系統(tǒng)，一臺設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)靈活且高效的測試方案在功率器件動態(tài)測試系統(tǒng)中，考慮到功率器件測試場景要求的示波器帶寬及通道數(shù)量，這里以 Moku:Pro 型號為例，Moku:Pro 具備四個輸出通道，4個輸入通道，系統(tǒng)集成時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個輸入端口作為示波器3個數(shù)據(jù)采集通道，分別采集待測功率器件的電壓，電流及控制極信號；
2. 2個輸出端口可作為信號發(fā)生器的控制信號輸出端口用于給待測功率器件提供柵極控制信號；
3. 1個輸入端口與1個輸出端口作為PID控制器的信號輸入與輸出端口，通過與外部控溫?zé)岚逑噙B實(shí)現(xiàn) PID 溫度控制器功能，為待測器件提供可控溫度環(huán)境；
4. 最后1路輸出端口可用于測試系統(tǒng)安全連鎖，如驅(qū)動測試系統(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)集成開發(fā)，如采用 LabVIEW，Python 等編寫控制軟件，同時 Moku 提供功對應(yīng)編程平臺功能完善的 API 庫函數(shù)，這使得軟件編寫更為簡單高效，可進(jìn)一步提升系統(tǒng)開發(fā)效率。

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Moku 動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)的優(yōu)勢：精準(zhǔn)、高效、經(jīng)濟(jì)

Moku 平臺憑借可重構(gòu)硬件架構(gòu)與軟件定義儀器技術(shù)，將信號生成、測試分析、控制調(diào)節(jié)等15+種儀器功能集成到一臺設(shè)備，為功率器件動態(tài)參數(shù)測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 的測試系統(tǒng)在以下方面具有顯著優(yōu)勢：

• 極大的成本優(yōu)勢：Moku 單臺設(shè)備豐富的儀器資源，在功率器件測試系統(tǒng)開發(fā)時單臺設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)示波器，信號發(fā)生器，PID 控制器等集成測試系統(tǒng)所必須的硬件資源，與單獨(dú)購買分體硬件資源相比會極大降低系統(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)開發(fā)時可極大減小系統(tǒng)體積，使其更適用于實(shí)驗(yàn)室及研發(fā)測試等應(yīng)用場景；
• 極大降低系統(tǒng)開發(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)開發(fā)的工作量及技術(shù)難度。例如，采用分體硬件方案，開發(fā)人員可能需要研讀不同儀器技術(shù)手冊，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設(shè)備提供，這極大的降低了儀器程控的工作量，程序編寫也變的更為簡單，同時也可省去嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)需求。
• 精確同步：多儀器并行模式支持最多 8 個儀器同時運(yùn)行，儀器間數(shù)字互聯(lián)和時鐘總線設(shè)計(jì)減少物理線纜，降低噪聲、相位和時序偏差；
• 可編程與自動化：支持 Python、MATLAB、LabVIEW API，快速構(gòu)建自動化測試流程；FPGA 可編程性允許自定義信號處理算法，與其他儀器功能無縫結(jié)合；
• 數(shù)據(jù)分享：可遠(yuǎn)程監(jiān)控與協(xié)作、實(shí)時分享數(shù)據(jù)。