簡介
在電動汽車、光伏逆變器和大功率電動汽車直流充電器等高效節能應用中，碳化矽（SiC）器件因其優越的性能而被廣泛採用。SiC 器件具有高開關頻率、高開通關斷速度和低開通關斷損耗等特性，這使得它們在高效能和高功率密度的應用中表現出色。然而，這些特性也使得驅動的設計變得更加複雜，並對其可靠性提出了更高的要求。本文將著重講解如何通過雙脈衝測試調試 SiC 在電路中的性能表現。
一、雙脈衝測試簡介
雙脈衝測試是一種通過發射兩個脈衝波形來觀察和調試 SiC 器件在導通與關斷狀態下表現的方法。其目的是在實際應用工況中優化性能參數，以實現最佳運行效果。
1.1 雙脈衝測試作用
① 評估柵極驅動器的拉灌電流能力以及過流保護等關鍵性能指標。
② 檢查驅動電阻 Rgon 和 Rgoff 的設置是否合理，確保其匹配實際需求。
③ 在 SIC 器件開通時，重點分析被測管的 Vgs 波形、Ids 電流，同時關注對管 Vds 尖峰電壓及 對管 Vgs 是否有誤導通。
④ 在 SIC 器件關斷時，評估被測管的 Vgs 波形、Vds 尖峰電壓，並觀察對管 Vgs 的變化以及二極體的反向恢復特性。
⑤ 結合實際應用場景，評估尖峰電壓是否需要通過添加柵源間（GS）電容或漏源間（DS）電容來進行抑制。
1.2 雙脈衝測試儀器
如圖 1.2 所示，差分探頭用於測量 SiC 的 DS 間電壓，電流探頭用於測量 SiC 的 Ids 電流，光隔離電壓探頭則用於測量 SiC 的 GS 間電壓。而負載電感則作為 SiC 的模擬負載設備。
▲ 圖 1.2
1.3 雙脈衝測試原理
如圖1.3 所示，該示意圖展示了半橋下管的 ON/OFF 操作（在測量半橋上管時，將電感旁路至下管），用於評估 SIC 器件的 Vds、Vgs、Ids 等關鍵參數。
工作狀態分析：
- 在上橋旁路負載電感器，電感器的取值可以通過U = L(di/dt)計算。
例：設開通時間是 20us 的話，ids 電流 100A、電壓 800V 。L = U/（di/dt） = 160uH 即開通後電流在 20us 上升至 Ids（100A 峰值）。
- 在下管關斷後通過上管二極體進行續流。
- 在下管開通時，通過旁路負載電感加載電流。
注意：
如果測量時 ids 電流較大，或者需要連續發波，普通電源通常無法滿足瞬時電流的需求。這種情況下，我們需要在母線上添加 DC-Link 電容器以提供額外的電流支持。
在測試過程時，應優先選擇距離母線最遠的半橋進行測試，因為此位置的雜散電感最大，能夠更好地反映系統的性能表現。 
▲ 圖 1.3
1.4 名詞解釋
開通延時時間 Td（on）：是指從 Vgs 上升 10% 的時間開始到 Vds 下降到 90% 的時間
關斷延時時間 Td（off）：是指從 Vgs 下降 90% 的時間開始到 Vds 上升到 10% 的時間
上升時間（Tr）：是指從 Vds 的 90% 到 10% 的時間
下降時間（Tf）：是指從 Vds 的 10% 到 90% 的時間
開通時間（Ton）：是指開通延時時間 Td（on）和上升時間（Tr）之和
關斷時間（Toff）：是指關斷延時時間 Td（off）和下降時間（Tf）之和
開通損耗（Eon）：是指在開通過程中，Vds 和 Id 的積分值
關斷損耗（Eoff）：是指在關斷過程中，Vds 和 Id 的積分值
二、基於世平 800V E-Compressor onsemi SiC-NVH4L040N120M3S-D 雙脈衝測試實例
如圖 2.1、2.2 所示，截取與世平 800V E-Compressor onsemi SiC-NVH4L040N120M3S-D 雙脈衝測試報告上橋波形，接下來將通過 圖2.1、2.2 去分析 Rgon、Rgoff 、Cgs 的取值相互影響著哪些性能參數。
▲ 圖 2.1
▲ 圖 2.2
① Rgon 的作用：圖2.2 所示，增大 Rgon 電阻值可以有效抑制對管 Vds 的峰值電壓。原因是增大 Rgon 會使 di/dt 的斜率變緩，通過 Cgs 的米勒平台，將由寄生電感（L）引起的能量分散到 SIC 器件導通時的 Rds(on) 中。需要注意的是，當減小 Rgon 時，應密切觀察對管 Vds 的峰值電壓以及對管 Vgs 的電壓，避免因開管的 di/dt 過快而導致對管誤導通。
② Rgoff 的作用：圖2.1 所示，增大 Rgoff 電阻值同樣可以抑制被測管 Vds 的峰值電壓。增大 Rgoff 會使 di/dt 的斜率變緩，通過 Cgs 的米勒平台，將由寄生電感（L）引起的能量分散到 SIC 器件關斷時的 Rds(off) 中。當減小 Rgoff 時，應特別注意被測管 Vds 的峰值電壓以及被測管 Vgs 的電壓，防止因關管的 di/dt 過快而導致被測管 Vds 電壓過高。
- 旁路 Cgs 電容器的作用：當通過調節 Rgon 和 Rgoff 無法有效抑制對管 Vgs 的誤導通時，可以通過增加 Cgs 電容來改變 Vgs 的諧振頻率。吸收 Vgs 的諧振能量，從而降低 Vgs 電壓的抬升幅度，達到穩定控制的效果。
註：如果增大門級電阻 Rg(on/off)，旁路 Cgs 電容器依然達不到系統要求，還可以調整 DC-Link、安裝銅排等優化結構的方式來減小系統雜散電感。
三、總結
在本文中，我們探討了 SiC 雙脈衝測試原理與調試方法，並結合世平 800V e-Compressor SiC 方案提供針對性的調試建議，幫助工程師在設計 SiC 方案時選擇最優的解決方案，以滿足不同應用需求並提升系統性能。
四、參考文獻
(1) onsemi SiC 柵極驅動優化 TND6237CN-D.pdf
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