雙脈沖測(cè)試

精確的能量損耗測(cè)量是雙脈沖測(cè)試的關(guān)鍵目標(biāo)之一。消除電壓探頭和電流探頭之間的時(shí)序偏差是在示波器上進(jìn)行精確功率和能量測(cè)量的關(guān)鍵步驟。

適用于4B系列、5B系列和6B系列MSO（混合信號(hào)示波器）的雙脈沖測(cè)試軟件 (WBG-DPT) 包含一種專為雙脈沖測(cè)試設(shè)計(jì)的新型消偏技術(shù)。這種新穎的方法與傳統(tǒng)方法截然不同，并且速度顯著提升，可以將測(cè)試時(shí)間縮短數(shù)小時(shí)。

該技術(shù)適用于使用FET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）或IGBT（絕緣柵雙極晶體管）的功率轉(zhuǎn)換器。為簡(jiǎn)便起見，本文將使用FET術(shù)語(yǔ)。

為何需要消偏？

在任何功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中，都必須最小化開關(guān)過(guò)程中的能量損耗。這種能量損耗可以使用示波器進(jìn)行測(cè)量。通常的做法是將同步采樣的電壓和電流相乘，生成功率波形：

p(t) = v(t)*i(t)

由于功率波形代表隨時(shí)間變化的能量消耗，因此可以通過(guò)對(duì)功率波形積分來(lái)確定能量：

E = ∫p(t)dt

為了使這些能量損耗測(cè)量準(zhǔn)確，電流和電壓波形的躍變必須在時(shí)間上對(duì)齊。因此，為了獲得有意義的能量損耗測(cè)量結(jié)果，設(shè)計(jì)人員必須校正測(cè)試夾具和探頭引入的不同延遲。

傳統(tǒng)上，探頭的偏差是在測(cè)試裝置上開始任何測(cè)量之前計(jì)算的。對(duì)于低壓應(yīng)用，可以使用函數(shù)發(fā)生器和消偏適配器（Tektronix部件號(hào)P/N 067-1686-03）進(jìn)行對(duì)齊。然而，這種方法對(duì)于高壓和大電流應(yīng)用并非最佳選擇。

用傳統(tǒng)方法對(duì)齊更高功率，低側(cè)漏源電壓 (VDS) 和漏極電流 (ID) 的測(cè)量需要重新布線測(cè)試裝置。必須移除負(fù)載電感并用電阻代替。然后進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)齊VDS和ID測(cè)量結(jié)果。這個(gè)過(guò)程可能需要一個(gè)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。

圖1. 傳統(tǒng)的消偏方法涉及移除負(fù)載電感并用電阻代替。

新型消偏方法

泰克WBG-DPT解決方案采用業(yè)界首創(chuàng)的基于軟件的消偏技術(shù)，無(wú)需重新布線，并且在雙脈沖測(cè)量完成后執(zhí)行。在該新方法中，采集漏極電流 (ID) 并將其用作參考波形。在導(dǎo)通期間，使用測(cè)試電路的參數(shù)化模型計(jì)算低側(cè)VDS對(duì)齊波形。該對(duì)齊波形以ID波形為參考，相對(duì)于ID將具有零偏差。消偏算法確定計(jì)算得到的VDS對(duì)齊波形與實(shí)測(cè)VDS波形之間的偏差，然后，它將偏差校正應(yīng)用于VDS測(cè)量通道。

圖2. 采用新方法，消偏在測(cè)試后進(jìn)行。參數(shù)在Deskew（消偏) 菜單中指定。

消偏過(guò)程

如上所述，消偏可以在測(cè)量完成后執(zhí)行。用戶可以啟動(dòng)雙脈沖測(cè)試而無(wú)需擔(dān)心VDS和ID之間的偏差，稍后在Deskew（消偏）設(shè)置中選擇并提供以下參數(shù)：

■探頭電阻 - 本文中假設(shè)為電流檢測(cè)電阻 (CVR) 或分流電阻

■有效“環(huán)路”電感

■偏置電壓（低側(cè)FET關(guān)斷時(shí)其兩端的平均VDS）

■微分階數(shù)（模型用于平滑處理的濾波器階數(shù)）

圖3. 用于構(gòu)建VDS_low對(duì)齊波形的等效電路。此電路假設(shè)使用電流檢測(cè)電阻測(cè)量ID。

偏置電壓和有效電感值可以自動(dòng)確定。在Deskew菜單中輸入的參數(shù)用于構(gòu)建VDS對(duì)齊波形。該波形是使用基爾霍夫電壓定律構(gòu)建的：

其中：

VDD- VDS_high代表電源軌電壓和高側(cè)FET兩端的壓降。注意，在導(dǎo)通期間，由于VDD固定且VDS_high是高側(cè)FET體二極管兩端的電壓，因此該值將保持恒定。

Rshunt是電流分流電阻的阻值。

ID是根據(jù)Rshunt兩端的壓降測(cè)量得出的漏極電流。

dID/dt是測(cè)得的漏極電流變化率。

Leff是整個(gè)功率環(huán)路的有效電感。

在導(dǎo)通期間，如上所述，VDD -VDS_high將基本保持恒定。Rshunt和Leff也是常量。這意味著建模的VDS_low對(duì)齊波形是ID的函數(shù)。

配置參數(shù)后，用戶按下WBG消偏按鈕。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)指定的參數(shù)和漏極電流生成VDS的數(shù)學(xué)模型。此對(duì)齊波形會(huì)顯示在屏幕上。

圖4. 由ID計(jì)算得出的VDS對(duì)齊波形與實(shí)測(cè)VDS波形進(jìn)行比較。偏差 (Skew) 是對(duì)齊波形與實(shí)測(cè)波形之間的時(shí)間差。一旦計(jì)算出來(lái)，即可從ID波形中去除該偏差。

有效電感Leff是一個(gè)“集總”元件，它考慮了如上所示的整個(gè)環(huán)路。因此，Leff通常是未知的，需要迭代過(guò)程來(lái)確定其值。消偏過(guò)程可以輕松地重復(fù)運(yùn)行，并且可以調(diào)整Leff，直到計(jì)算出的對(duì)齊波形和實(shí)測(cè)的VDS波形具有相同的形狀。如果建模的VDS對(duì)齊波形與實(shí)測(cè)的VDS波形在形狀上存在差異，則可以調(diào)整參數(shù)并再次運(yùn)行消偏。

一旦參數(shù)準(zhǔn)確代表了系統(tǒng)，建模的對(duì)齊波形將具有相同的形狀，系統(tǒng)即可確定并校正偏差。偏差值會(huì)顯示在Deskew (消偏) 設(shè)置中，并自動(dòng)應(yīng)用于連接VDS信號(hào)的通道。

這個(gè)新過(guò)程能精確地計(jì)算偏差，并將消偏時(shí)間從一小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間縮短到僅需5到10分鐘。

借助WBG-DPT軟件，有效電感和偏置電壓等電路參數(shù)可以自動(dòng)確定。因此，可以以更少的人工干預(yù)來(lái)計(jì)算偏差值。