雖然碳化矽MOSFET的性能和矽MOSFET類似，且驅動非常簡單，但設計者必須特別注意某些方面，以充分利用這些快速開關元件的優勢。由於PCB布局錯誤而產生的寄生電感會嚴重損害MOSFET的開關特性。這些寄生電感加上碳化矽MOSFET的dv/dt和di/dt特性，可以導致一些不良影響，包括MOSFET的開關特性受到嚴重影響，包括電壓和電流過沖，開關損耗增加以及系統不穩定。此外，使用傳統的基於矽IGBT的技術來表徵碳化矽MOSFET的開關特性可能由於測量探針頻寬不足、設備不充分等而導致關於開關損耗的錯誤結論。
動態表徵平台(DCP)旨在通過雙脈衝技術表徵碳化矽MOSFET和二極體開關損耗。它也可用於表徵MOSFET和二極體資料表中提供的其他典型動態參數，如開關時間，柵極電荷和反向恢復。如前所述，測量碳化矽元件的這些參數需要優化的電路板布局和精確的電壓/電流感測技術。
圖1是動態表徵平台的方框圖。它採用單相支路配置，可容納兩個碳化矽MOSFET和可選的反並聯肖特基二極體。每個MOSFET都有自己的柵極驅動電路，包括單獨的數位隔離器，電流升壓器和隔離電源。
DCP包括三個高壓電源連接(DC+_Con2，DC-_Con1和OUT_Con3)，兩對用於柵極驅動器控制電路的低壓連接(VCC_PS1/GND_PS1和VCC_PS2/GND_PS2)，兩個用於柵極訊號的BNC端子(PWM1/GND_PWM1和PWM2/GND_PWM2)以及一個8引腳接頭，可用作柵極訊號的替代介面(圖2)。
每個開關位置的柵極驅動器電路採用Silicon Labs數位隔離器「Si8261」，IXYS電流升壓器「IXDN614」和村田2W隔離式DC-DC轉換器「MGJ2D122005SC」。村田DC-DC轉換器使用+12V輸入以產生帶有5.2kV直流隔離柵的+20V和-5V電源軌。負驅動電壓可通過100-mil插頭跳線配置(-5V或0V)。柵極迴路分成兩條(二極體+0603 SMD電阻)支路，以允許不同的導通和關閉電阻。板上探頭尖端適配器(PTA)提高了柵源電壓(VGS)和漏源電壓(VDS)的測量精度。同軸電流敏感電阻分流器用於精確的開關電流測量。高壓直流母線電容是由一個較大薄膜電容(其在開關瞬變期間穩定DC匯流排)與多個較小的陶瓷電容(其為元件之間的電流換向提供去耦功能)並聯而成。單相支路配置，包括可容納兩個碳化矽MOSFET和可選的反並聯肖特基二極體支援MOSFET或二極體測試。用於MOSFET和二極體的插座安裝方法可以快速方便地更換DUT。同樣，高壓連接器用於方便的電源連接。可以安裝板上通孔電阻進行電阻負載測試；電感負載脈衝測試需要一個外部負載電感。
DCP板(圖3)的尺寸為132毫米×86毫米。它僅用於執行脈衝測試，因此不提供元件冷卻裝置。該電路板設計用於測試採用3引腳TO-247封裝的MOSFET和採用2引腳TO-220封裝的二極體。用於其他通孔封裝和SMD封裝的定制DCP可根據要求進行開發。
DCP可靈活用於多種重要的碳化矽元件特性測試電路，包括開關時間特性的電阻負載單脈衝測試，開關能量/時間特性和柵極電荷特性的感性負載雙脈衝測試以及反向恢復特性的電感負載雙脈衝測試。
圖4總結了不同測試的可能拓撲結構。開關測試可以使用或不使用反並聯SBD進行。續流元件可以通過單個SBD，單個MOSFET，或者SBD和MOSFET相互並聯組合來實現，如圖4中所示。
該動態表徵平台可以表徵開關元件和續流元件在半橋配置中的開關特性。對於開關元件的表徵，被測元件可以僅通過一個MOSFET或通過一個帶有外部反並聯二極體的MOSFET來實現。對於續流元件特性分析，被測元件可以通過單個續流二極體，通過一個帶體二極體的MOSFET或通過一個帶體二極體和額外續流二極體的MOSFET來實現。
直流母線電容與解耦電容
去耦電容在元件開關期間提供能量。直流母線電容可在開關瞬態期間穩定直流母線電壓。DCP中的去耦電容和直流母線電容一起構成了一個低通濾波器，用於過濾DC匯流排上的開關電流。這減少了與直流電源和測試系統的板上直流母線之間的導線連接有關的任何寄生電感的影響。
續流元件
當在雙脈衝測試中關閉底部開關位置MOSFET時，需要電流路徑使儲存在板外電感器中的能量迴圈通過。這是通過插入一個半導體元件來實現的，該元件將電流限制在與電感平行的一個方向上。半導體元件通常由碳化矽SBD，帶有體二極體的碳化矽MOSFET或並聯的碳化矽MOSFET和碳化矽SBD組成。這些配置代表了常見的真實世界配置，見於帶有用於續流元件的碳化矽SBD二極體的降壓或升壓轉換器。另一種常見配置出現在半橋拓撲結構中，其中碳化矽MOSFET的體二極體滿足對續流元件的需求。
隔離電源
該元件應用在柵極驅動器電路中，為邏輯訊號提供隔離屏障。
電流觀察分流電阻(Rshunt)
同軸型分流電阻為測量元件電流提供了最佳解決方案。同軸分流器允許進行高頻寬測量，同時僅向測試電路的電源迴路引入最小量的寄生電感。
電壓測量探頭
漏源電壓和柵源電壓測量建議採用無源探頭。高頻寬、低輸入阻抗和適當的電壓和電流測量之間的偏斜校正是準確測量開關損耗的必要條件。探頭尖端適配器用於方便的PCB到探頭尖端的介面連接和優化的電壓測量。
板外負載電感
以下是選擇合適的板外感應器的一些重要提示：
1.避免目標元件電流飽和。
2.確保足夠的電感，使關閉和接通事件具有相似的電流。
3.更大的電感將使元件電流程式設計更容易和更精確。
4.避免並聯多個電感，這會導致更高的等效並聯電容和開關事件期間潛在的LC諧振振盪。
訊號和電源連接
輸入PWM訊號應該通過BNC1和BNC2使用3.3V訊號控制。柵極驅動電源輸入電壓應為12伏，通過PS1和PS2施加。
連接器定義
電路板(圖2)有三個電源連接：Con1用於負直流母線輸入，Con2用於正直流母線輸入，Con3是相位支路的中點。PS1和PS2用於柵極驅動器控制電路的+12V電源輸入。BNC1和BNC2是函數發生器的柵極訊號輸入連接端子。牛角連接器為數位控制器提供了另一種柵極訊號輸入選項。牛角連接器的定義如表1所示。
為了進行測量，三個探針頭適配器(PTAs)在考慮測量迴路減少的情況下實施。PTA1用於漏源電壓(VDS)測量。PTA2用於柵源電壓(VGS)測量。PTA3用於測量柵極電阻之前的柵極訊號(在柵極電荷測量測試期間使用)。Shunt1是用於開關電流(IDS)測量的BNC連接。
柵極驅動迴路和電源迴路設計
碳化矽元件開關速度非常快，因此在開關瞬態過程中儘量減小電壓過沖和電流振盪非常重要。在開關事件期間看到的振盪的一個常見原因是半導體封裝和PCB布局設計中的迴路電感。圖5顯示了半橋配置中寄生電感的一些關鍵來源。
DCP採用優化電源迴路和柵極迴路設計的設計方法，以最大限度地減少迴路電感和交叉耦合。以下是這些設計指南中的一部分：
1.推薦使用額外的電流升壓IC去耦電容。這些去耦電容也應盡可能靠近MOSFET的柵極放置，以減少柵極迴路。
2.直流母線去耦電容是開關期間降低漏源電壓振盪所必需的。建議並聯多個小型去耦電容，以減少每個電容的寄生電感。去耦電容也應盡可能靠近SiC MOSFET。
3.建議採用疊層式直流匯流排結構以減少直流母線電感。出於這個原因，使用銅平面比直流正極和直流負極匯流排訊號的走線更好。而且，這些平面應該位於不同的PCB層上並且彼此重疊以形成層疊的直流匯流排結構。
4.應仔細考慮兩個MOSFET及其反並聯二極體的位置，以確保頂部元件和底部元件之間的小電流換向迴路。
負載電感選擇
為了收集精確的開關損耗測量結果，必須仔細選擇負載電感(圖6)。與被測元件的輸出電容相比，負載電感應具有較低的等效並聯電容(EPC)。在測試來自1200V 80mΩ碳化矽MOSFET時，建議選擇EPC小於10pF的負載電感。負載電感的另一個重要特性是它不應該在目標關閉/開啟電流時飽和。對於內部測試目的，利用來自線圈繞線專家公司的四個高電流封裝電感器「EK55246-341M-40AH」。這些電感器已定制封裝在帶香蕉插座介面端子的外殼中，可根據測試需求進行快速簡單的配置。例如：低電流+高電感或高電流+低電感操作。
DCP與直流電源隔離以避免接地迴路
圖7顯示了雙脈衝測試設置的示意方框圖。在此測試中，電感負載與上開關位置的續流二極體(FWD)並聯。這些元件組成了在被測元件關閉狀態下電流的續流路徑。被測元件占用較低的開關位置。該測試配置用於研究被測元件的開關能量和柵極電荷特性。
需要注意的是，測量設備和直流電源各自都有自己的接地連接。為了避免可能導致嚴重測量誤差的接地迴路，建議在採集測量資料時，在測試期間將DCP與直流電源隔離。在此測試系統中，GIGAVAC的電壓控制繼電器「P105」用於將DCP從直流電源(正極和負極電源)斷開。確定直流母線電容的大小使其能夠在從直流電源斷開後的整個測試中保持所需的匯流排電壓。這可以通過最大限度地降低由接地迴路引起的瞬態事件中的振鈴風險來改善測量條件。如果系統沒有足夠大的直流母線電容從上述的直流電壓源上斷開連接，則該系統至少需要足夠大的直流母線電容以便在元件開關期間維持直流電壓。
碳化矽MOSFET的高開關速度意味著在某些測試條件下，dv/dt和di/dt可能分別超過80V/ns和5A/ns。這些元件在幾十奈秒內開啟和關閉。因此，測量探頭具有足夠的頻寬，良好的動態性能和非常小的負載電容至關重要。為了使用DCP進行測試，建議使用無源電壓探頭進行VDS和VGS測量。建議在IDS測量中使用電流敏感電阻分流器。
在這個例子中，來自T＆M Research (SSDN-414-05)的電流敏感電阻(CVR)用於測量IDS。該模型的規格包括2GHz頻寬和0.18ns上升時間。CVR的輸出是通過一個50Ω端子和一個RG58 BNC電纜直接連接到示波器。注意：用於此測量的示波器通道的設置應配置反映50Ω端接。
DCP PCB上提供了一個探針尖端適配器用於VDS測量，該PCB可容納來自Lecroy的400 MHz頻寬的高壓無源探頭「PPE4KV」。對於VGS測量，在DCP PCB上提供了一個探針尖端適配器，該PCB可容納來自Lecroy的500MHz頻寬低壓無源探頭「PPE023」。如果使用其他電壓探頭，則使用者應確保探頭具有≥400MHz的頻寬和足夠的電壓容限以供測量訊號使用。如果探針尖端適配器與使用中的探針不匹配，用戶可以選擇使用SMA連接器和SMA連接探針尖端適配器來替換該探針尖端適配器。
除了有足夠的探針之外，還應該使用高性能示波器來確保精確的電壓和電流測量。示波器的最小推薦規格是：頻寬≥400 MHz，取樣速率≥2.5Gs/s。
測試顯示MOSFET開關特性
圖8顯示了使用800V直流匯流排電壓和20A元件電流進行測試的結果。該圖顯示了柵源電電壓(VGS)，漏源電壓(VDS)和元件電流(IDS)。圖8(b)和(c)顯示了(a)中與關閉(b)和開啟(c)事件相對應的波形的放大部分。這些事件通過描述開關能量，開關速度，上升和下降時間，電壓過沖等來詳細表徵MOSFET的開關特性。
為了獲得元件開關特性的數值，必須完成一定量的後處理。MATLABR是處理這些繁雜的電腦負荷計算的有用的軟體工具。在將原始資料導入後處理環境後，下一步就是確保漏源電壓(VDS)和元件電流(IDS)正確地偏斜校正。開關損耗結果對此步驟非常敏感，因此對於此過程至關重要；否則，結果會偏差很大。
有兩種方法可確保通道正確偏斜校正。第一種方法是硬體偏斜校正，即通過將用於測量VDS和IDS訊號的兩個通道連接到示波器上的相同電壓訊號/引用並相應地調整通道延遲設置，直到波形彼此對齊。
需要注意的是，示波器通道與示波器電壓訊號/引用的連接應使用測試中使用的探針(用於VDS的HV電壓探頭和用於IDS的BNC電纜)，以確保正確的補償。此方法應始終是確保示波器通道正確偏斜校正的第一步。可以通過軟體偏斜校正來檢查此硬體偏斜校正的準確性。這種方法首先要繪製VDS和IDS電流波形，兩者都與時間有關。在關閉事件期間，VDS訊號應該首先大於直流匯流排電壓設定點(例如，在該示例中為800V)，同時元件電流應首先大於0A。如果這些情況同時發生，硬體偏斜校正是成功的，不需要進一步的操作。如果事件發生時間稍有不同，可以對沿著時間軸的一個波形(VDS或IDS)進行手動移位以對齊之前討論的兩個事件。
圖9給出了在正確示波器通道偏斜校正後，使用MATLAB生成關於導通和關斷瞬態電壓(VDS)，電流(IDS)和暫態功率的圖表示例。從這些波形可以推導出被測元件的開關能量計算和開關特性。
圖9所示的波形表明，在關斷事件期間，存在著~70V的電壓過沖，dv/dt=68.72V/ns，di/dt=1A/ns，關斷損耗約為60μJ；在導通過程中：存在~10 A的電流過沖，dv/dt=39.47V/ns，di/dt=5.2A/ns，導通損耗約為270μJ。
