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半导体开放世界

双脉冲动态测试

Double-Pulse Switching Test（DPT）也称 双脉冲测试、Double Pulse Test、开关损耗测试、Eon/Eoff测试、感性负载动态测试

双脉冲测试用感性负载和两次受控栅极脉冲，在一次短时实验中建立目标电流并捕获功率器件开通、关断、续流器件恢复和回路寄生的动态行为。

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速览

约 1 分钟

第一脉冲不是预热装饰，而是按V/L斜率建立目标电感电流；关断后电流转移到续流器件，第二脉冲再制造目标电流下的硬开通。Eon/Eoff来自同步电压与电流的瞬时功率积分，结果必须同时报告VDC、I、Tj、Rg、驱动电压和测试回路。

系统理解

约 3 分钟

典型DPT由直流母线、低寄生半桥、负载电感、被测开关、续流开关/二极管、栅极驱动和同步示波测量构成。首脉冲期间电感电流近似按di/dt=V/L上升；首脉冲关断可表征Eoff，随后电流在续流器件中保持。第二脉冲上升沿使续流器件反向恢复或输出电荷换向，常用于表征Eon；第二次关断还可再次观察Eoff。

开关能量不是导通延迟、上升时间和下降时间的简单乘积。应先定义v和i的正方向、零点、带宽、去偏、探头传播延迟和积分窗，再计算E=∫v(t)i(t)dt。电压与电流通道数纳秒级不同步就可能把高电压与高电流错配，产生虚假正负能量；高共模dv/dt还会使探头饱和或振铃。

过冲和振铃属于器件—封装—夹具联合结果。换向回路电感以V=L·di/dt形成过压，器件Coss、探头电容、母线电容位置和栅回路耦合共同决定谐振。DPT可以比较器件与Rg，但除非夹具、母线、探头、温度和控制变量一致，不能把不同实验结果直接排序。

安全执行需要预充电、放电、限流、互锁、单次触发和失效包络。电感应避免在脉冲期间饱和，母线电容和器件耐压要覆盖过冲，驱动保护不能篡改待测波形。测量应保存原始波形、校准信息和计算脚本，使结果可复算。

承接功率器件与栅极驱动，向后连接测试夹具去嵌、动态损耗、Buck/逆变器热设计、EMI和可靠性。

公式提示

首脉冲近似建立I≈VDC·ton/L；单次能量Eon/off=∫vDS/CE(t)·iD/C(t)dt，平均开关损耗Psw≈fs(Eon+Eoff)。积分起止、极性与工作点必须公开。

关键参数

关键参数
参数单位含义
VDC、目标电流与负载电感V / A / H定义电流建立和器件电应力
脉宽、脉冲间隔与死区s定义电流和续流器件初始状态
Eon、Eoff、Erec与QrrJ / C量化开关和恢复能量
dv/dt、di/dt、过冲与振铃V/s / A/s / V / Hz反映速度与寄生回路
探头带宽、延迟与CMTIHz / s / V/s限定测量真实性

常见误区

  • 认为第二脉冲自身决定测试电流
  • 只读示波器自动Eon/Eoff而不检查极性和积分窗
  • 忽略电压电流探头传播延迟
  • 把回路过冲全部归因于器件
  • 在不同V/I/Tj/Rg和夹具下直接比较开关能量

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

测试拓扑

定义

双脉冲测试是受控感性换向实验

母线、负载电感、被测开关和续流器件构成短时半桥换向回路，两次门极脉冲分别建立电流和制造目标工作点的开关事件。12

成立条件 电感在测试期间未饱和；母线与回路寄生受控

机制

第一脉冲宽度设定目标电感电流

被测器件首次导通时，近似恒定母线电压加在负载电感上，电流按V/L斜率上升到目标值。12

成立条件 电感和电源近似理想；扣除器件与线路压降

机制

脉冲间隔建立续流器件的初始状态

首脉冲关断后电感电流转移到二极管或对侧器件，因此第二次开通会包含其反向恢复或输出电荷换向。12

成立条件 脉冲间隔内电流未衰减为零；续流器件与极性明确

能量测量

公式

Eon和Eoff必须积分瞬时功率

开关能量由定义时间窗内功率端电压与电流乘积积分得到，单独的上升下降时间不能替代。12

Eon/off=∫v(t)i(t)dt

E
单次开关能量，单位 J

成立条件 v与i极性一致；通道同步且零偏校正

边界

探头延迟失配可制造虚假能量

开关沿附近v和i同时快速变化，纳秒级相对延迟会把不同时间的样点相乘并显著改变积分值，甚至造成负能量。12

成立条件 高速硬开关；进行deskew或已知传播延迟修正

边界

积分窗必须随定义一起保存

不同标准、厂商或仪器可能采用不同阈值和起止点；只保存Eon/Eoff数值而不保存波形和积分窗，结果不可复算。12

成立条件 报告阈值和算法版本；保留原始采样数据

公式

150微焦开关能量在100千赫下对应15瓦

教学例说明一次脉冲得到的微焦能量需乘实际开关频率才能进入热预算。12

Psw=150×10⁻⁶·100×10³=15 W

Psw
平均开关损耗，单位 W

成立条件 Eon+Eoff=150 μJ；fs=100 kHz；每周期一次开通和一次关断

例题：动手算一次教学假设，可复算

DPT测得目标条件Eon+Eoff=150 μJ，应用频率100 kHz，平均开关损耗约多少？

已知

  1. Esw=150 μJ/cycle
  2. fs=100 kHz

步骤

  1. 150 μJ=150×10⁻⁶ J，换算单周期能量。
  2. P=Esw·fs=15 W，乘每秒周期数。
结果 15 W。

应与导通、驱动、反向恢复和磁件损耗一起进入热设计。

不能外推到 仅在DPT工作点与应用波形、温度和换向条件相近时可用。

寄生与波形

机制

换向回路电感产生关断过压

器件关断时快速电流变化作用于母线、封装和连接的总杂散电感，以L·di/dt叠加到器件阻断电压。13

成立条件 关断换向；回路等效电感在相关频段有效

边界

DPT测到的是器件与夹具联合响应

过冲、振铃和能量同时受封装、母线电容位置、PCB、探头负载、栅回路和续流器件影响，不能全部归因于裸芯片。23

成立条件 夹具结构和探测点公开；比较实验仅改变一个主要变量

可比性

边界

开关能量必须绑定完整工作点

Eon/Eoff会随VDC、I、Tj、Vg、Rg、续流器件和回路寄生改变，跨数据表或实验比较前必须归一条件。13

成立条件 同拓扑和积分定义；温度和栅极条件明确

关联

栅阻扫描将驱动折中转化为测量曲线

在固定V/I/Tj和夹具下扫描Ron/Roff，可同时观察Eon/Eoff、过冲、恢复、dv/dt与di/dt并寻找系统折中。13

成立条件 每次测试初始温度一致；避免磁芯和器件累积发热

安全与复现

边界

高能DPT需要单次触发和失效安全链

预充、放电、互锁、限流、隔离触发和耐压裕量用于防止器件击穿后母线继续供能或夹具残留危险电压。12

成立条件 高压直流母线；实验台有明确安全规程

出处

3 份资料 · 3 处引用
  1. 1
  2. 2
  3. 3

    1200 V CoolSiC MOSFET: Trench Power Device

    Infineon Technologies · 2024

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