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SiC / GaN 双脉冲测试
返回上一页同轴分流电阻，罗氏线圈，AC/DC 电流探头的比较
引言
在 WBG 半导体评估中，电流波形的观测质量至关重要
以 SiC 和 GaN 为代表的 WBG 半导体，凭借高速响应，可有效提升电力变换器的效率及实现小型化。另一方面，由于电流变化陡峭，准确捕捉峰值电流、di/dt、振铃及反向恢复电流等参数面临较大挑战。在双脉冲测试中，需同时测量电压波形与电流波形，以评估导通 / 关断特性及开关损耗。 因此，电流波形的带宽不足、延迟、噪声及偏移变动都会直接影响评估结果。
本文比较了 AC / DC 电流探头、同轴分流器和罗氏线圈，整理了 WBG 半导体双脉冲测试中电流测量方法的选择要点。
双脉冲测试中测量的电流波形
在导通、关断、反向恢复中关注什么
双脉冲测试（DPT）通过用短脉冲驱动功率器件，观察开关过程中的瞬态波形。第一脉冲使负载电感电流上升，在第一脉冲结束时评估关断特性，第二脉冲开始时评估导通特性。主要确认的电流波形包括电感电流、导通 / 关断时的电流变化、峰值电流、di/dt、振铃及反向恢复电流。将这些电流波形与 Vds/Vce 等电压波形结合，还可用于计算瞬时功率及Eon、Eoff 等开关损耗。
因此，电流波形的上升沿变缓，峰值电流无法准确捕捉，振铃呈现衰减，与电压波形之间存在时间延迟等测量误差，将直接影响开关特性的评估。
黄色 ：电流波形 Id、蓝色 ：电压波形 Vds、浅蓝色 ：功率计算波形（电流波形 × 电压波形）。
电流测量方法的比较
双脉冲测试中采用的具有代表性的电流测量方法有 ：AC / DC 电流探头、同轴分流器、罗氏线圈。虽然都是有效的测量方法，但由于测量原理及连接方式不同，各自的擅长用途和注意事项也有所不同。
AC / DC 电流探头
?优点 钳形结构，易于连接。可减少电路改造。可观测包含直流分量的电流波形。 ?注意事项 需确认带宽、最大电流、频率降额、探头延迟。 ?用途 双脉冲测试（DPT）条件设定、波形观测、设计评估、调试及比较测量。 |  |
| 电流探头 CT6711 |
同轴分流器 / CVR
?优点 便于测量大电流脉冲。 可灵活安装，对电路的插入影响较小。 ?注意事项 无法测量直流分量，需配备积分电路。 易受低频成分、噪声及安装位置影响。 ?用途 用于确认大电流脉冲的趋势及线路电流的大致观测。 |  |
| 同轴分流电阻 |
罗氏线圈
?优点 适用于高带宽、低延迟的测量环境。 适合高速瞬态电流的精细观测。 ?注意事项 需插入测试电路中。受寄生电感、发热、绝缘性能、接地条件及测试夹具设罗氏线圈 * 1计影响。 ?用途 用于严格的开关损耗评估及高带宽基准测量。 |  |
| * 1: https://www.pemuk.com/ |
实际测量对比
从电流上升沿波形看不同测量方法的差异
在本评估中，以脉冲发生器的输出信号为基准，比较了同一条件下的电流上升沿波形。
比较对象为同轴分流器、AC / DC 电流探头及罗氏线圈三种类型。
| 测量方法 | 带宽规格 |
| 同轴分流器 | 2GHz |
| AC / DC 电流探头 | 120MHz |
| 罗氏线圈 | 30MHz |
同轴分流器的波形相对于基准信号的延迟最�。芄桓咚俨蹲降缌魃仙�。 另一方面，观测波形存在较大的过冲，由此可知必须考虑接入测试电路、连接条件及寄生参数的影响。
AC / DC 电流探头的波形相较于基准信号，存在延迟上升现象。此外，与同轴分流器相比，其上升沿斜率略显缓和。此现象是由于电流传感器带宽上限的影响所致。 另一方面，过冲较�。宀ㄐ挝榷ǎ芄皇导拾盐盏缌魃仙氐亩匦�。
在罗氏线圈的波形中，电流信号在上升沿到来前即出现振铃，并且在上升过程至上升沿结束后都能观察到振铃分量。此外，上升沿的斜率也有所变缓。 这可能是受到罗氏线圈带宽上限、积分电路及安装条件的影响。
从本次结果可以确认，各测量方法的特性在电流波形中得到了明确的体现。同轴分流器具备高带宽、低延迟的优点，但需注意连接条件对波形造成的变化。 罗氏线圈是大电流测量的有效手段，但在高速上升沿波形的详细观察中，容易受到带宽和振铃的影响。
虽然 AC / DC 电流探头的带宽不及同轴分流器，但能够在减少电路改造的，同时获取过冲和振铃较少的稳定波形。在DPT 的条件设定、波形比较、设计评估及调试用途中，该电流测量方法具有较高的实用价值。
测量方法选择的确认要点
不仅看带宽，还要根据整个测量系统来判断
双脉冲测试中的电流测量方法，不应仅凭带宽规格进行选择。需要考虑评估目的、测量电流、有无 DC 分量、对电路的影响、连接便利性及安全性等因素进行综合判断。
| 选定项目 | 应确认的内容 |
| 评估目的 | 是进行 Eon / Eoff 的详细解析，还是波形确认 / 条件设定 / 调试 |
| 频率带宽 | 能否充分捕捉电流上升沿、峰值电流及振铃 |
| 最大测量电流 | 脉冲电流及峰值电流是否在测量范围内 |
| 能否测量 DC 分量 | 是否能够掌握电感电流的上升沿与电流幅值 |
| 对电路产生的影响 | 测量装置的插入是否引起寄生电感或波形变化 |
| 延迟 /Deskew | 制造商是否提供电压波形的时间偏差补偿值 |
| 连接性 / 再现 / 重复性 | 是否便于在相同位置和条件下反复测量 |
| 安全性 | 在高电压 / 大电流条件下，额定值、绝缘性能及操作是否异常 |
特别是在计算 Eon 和 Eoff 等开关损耗时，电压波形与电流波形的时间对齐非常关键。 即使电流波形出现轻微延迟，也会影响瞬时功率的计算结果。 测量前，应确认所使用的电压探头与电流测量系统之间的延迟差，并根据需要进行时序偏差校准。
使用 AC / DC 电流探头时，测量前的零点校正、电流方向确认及量程设置是基本步骤。 另外，在含有高频 / 大电流成分的波形中，必须确认频率降额。不仅要参考样本中的最大电流值，还需结合测量的频率成分，综合判断是否处于使用范围内。
DPT 是处理高电压 / 大电流的测试，测试电路中积累着危险的能量。因此，更改测量仪器的连接时，务必切断电源，并确认电容器的残留电荷。为保证试验安全，在使用安全罩、联锁、绝缘治具及防护用具，并确保测试人员不会接触到充电部位的条件下进行测试极为重要。
总结
根据测量目的选择电流测量方法
在双脉冲测试中，电流波形的观测质量对开关特性的评估具有重要影响。为了正确评估峰值电流、di/dt、振铃、反向恢复电流、Eon/Eoff 等参数，除了测量对象本身外，还需充分理解电流测量方法的特性。
同轴分流器适用于高带宽、低延迟的测量场景。但需要考虑其对电路的插入影响、连接处的寄生成分、发热、绝缘及安全性因素。 罗氏线圈在大电流脉冲观测中可能有效，但无法测量 DC 分量，且在测量高速上升沿波形时，需注意振铃现象及波形失真。
AC / DC 电流探头虽然带宽不及同轴分流器，但可采用钳形方式连接，能够观测含有 DC 分量的电流波形。 在此次实际测量对比中也已确认，它能够在减少电路改造的前提下，稳定地获取双脉冲测试所需的电流上升沿波形。
关键在于根据评估目的合理选择使用方式。详细损耗分析、波形确认、条件设定及设计调试所要求的测量条件均有所不同。 必须综合考虑带宽、电流额定值、是否支持 DC 测量、对电路的影响、Deskew 及安全性，把测试系统当作一个整体来判断。
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