寬禁帶半導(dǎo)體FET的雙脈沖測(cè)試自動(dòng)化：基于Python的解決方案

電力電子設(shè)備中使用的半導(dǎo)體材料正從硅過(guò)渡到寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體，比如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等半導(dǎo)體在更高功率水平下具有卓越的性能，被廣泛應(yīng)用于汽車和工業(yè)領(lǐng)域中。由于工作電壓高，SiC技術(shù)正被應(yīng)用于電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)，而GaN則主要用作筆記本電腦、移動(dòng)設(shè)備和其他消費(fèi)設(shè)備的快速充電器。本文主要說(shuō)明的是寬禁帶FET的測(cè)試，但雙脈沖測(cè)試也可應(yīng)用于硅器件、MOSFET或IGBT中。

為確保這些設(shè)備的可靠性，雙脈沖測(cè)試(DPT)已發(fā)展成為一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，用于測(cè)量開啟、關(guān)閉和反向恢復(fù)期的一系列重要參數(shù)。雙脈沖測(cè)試系統(tǒng)包括示波器、信號(hào)源和電源，它們必須協(xié)同工作進(jìn)行測(cè)試和測(cè)量。本應(yīng)用說(shuō)明介紹了一個(gè)Python腳本示例，該腳本利用示波器和函數(shù)發(fā)生器的內(nèi)置雙脈沖測(cè)試功能，自動(dòng)執(zhí)行雙脈沖測(cè)試。演示腳本以一個(gè)工作框架的形式呈現(xiàn)，供尋求實(shí)現(xiàn)DPT自動(dòng)化的工程師使用， 并可通過(guò)泰克GitHub獲取。

使用Python可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)試解決方案，包括：探頭設(shè)置配置、通道糾偏配置、直流電流校準(zhǔn)(例如羅氏線圈)、垂直刻度設(shè)置自動(dòng)調(diào)整、水平刻度設(shè)置自動(dòng)調(diào)整、創(chuàng)建測(cè)試列表、獲取測(cè)試結(jié)果、測(cè)試屏幕/波形保存，以及用于穩(wěn)定性分析的可重復(fù)測(cè)試回路。

在本文中，使用5B系列MSO示波器和AFG31000任意函數(shù)發(fā)生器，在PC上使用Python自動(dòng)化執(zhí)行雙脈沖測(cè)試 (DPT)。文章詳細(xì)概述了Python腳本的流程，演示腳本本身可用作特定遠(yuǎn)程接口命令的示例，并可針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。示波器配有選件5-WBG-DPT，可提供專用的雙脈沖測(cè)量，并具備完整的遠(yuǎn)程接口。在此應(yīng)用中，可使用4B系列MSO或6B系列MSO代替5B系列MSO。

測(cè)試系統(tǒng)

典型的雙脈沖測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，用于測(cè)量低側(cè)自動(dòng)開關(guān)參數(shù)和時(shí)序分析。這種設(shè)置需要一個(gè)具有四個(gè)或更多通道的4B、5B或6B系列MSO。對(duì)于DPT開關(guān)參數(shù)，需要測(cè)量低壓側(cè)的VDS、ID和VGS ，因此需要三個(gè)探頭——兩個(gè)用于電壓測(cè)量，一個(gè)用于電流測(cè)量。自動(dòng)化腳本還可以通過(guò)與適當(dāng)?shù)奶筋^進(jìn)行高壓側(cè)連接來(lái)支持高壓側(cè)測(cè)試。

被測(cè)設(shè)備 (DUT) 的柵極由AFG31000任意/函數(shù)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)。圖2顯示了驅(qū)動(dòng)VDD的大電流電源，這是典型的雙脈沖測(cè)試設(shè)置。不過(guò)，在這個(gè)低電流示例中，使用了吉時(shí)利三輸出電源為柵極驅(qū)動(dòng)器供電，并提供VDD。示例設(shè)置的照片如圖3所示。

示波器配備了選件5-WBG-DPT，可提供專用的雙脈沖測(cè)量和完整的遠(yuǎn)程接口。示波器中的 WBG 軟件還可用于控制AFG31000任意/函數(shù)發(fā)生器并生成柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在本示例中，個(gè)人計(jì)算機(jī)、示波器和函數(shù)發(fā)生器均通過(guò)局域網(wǎng)連接(圖1)。

圖1. 電腦、示波器和函數(shù)發(fā)生器通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行通信

圖2. 雙脈沖測(cè)試系統(tǒng)示例的原理圖，配置用于對(duì)低壓側(cè)FET進(jìn)行測(cè)量。

如圖3所示，本文中的實(shí)際設(shè)置使用了低電流電源

圖3中，本文使用的系統(tǒng)包括MSO58B示波器、VDS上的THDP0200高壓差分探頭、ID上的TCP0030A電流探頭、VGS上的TPP1000單端電壓探頭、用于柵極脈沖的AFG31252函數(shù)發(fā)生器，以及輸出端為柵極驅(qū)動(dòng)器和VDD供電的2230G-30-1三路輸出電源。圖3顯示了示波器、函數(shù)發(fā)生器和電源與DUT的連接。屏幕截圖(圖4)顯示了示波器上DPT分析軟件生成的豐富測(cè)量數(shù)據(jù)，包括導(dǎo)通電量Eon、關(guān)斷電量Eoff、峰值電壓Vpeak、峰值電流Ipeak、開啟延時(shí)Td(開啟)、關(guān)斷延時(shí)Td(關(guān)閉)、上升時(shí)間Tr、下降時(shí)間Tf、導(dǎo)通時(shí)間Ton、關(guān)斷時(shí)間Toff、電壓轉(zhuǎn)換速率d/d。死區(qū)時(shí)間測(cè)量雖然不用于此設(shè)置，但可用來(lái)測(cè)量低壓側(cè)和高壓側(cè)開關(guān)之間的時(shí)序。

圖4. 示波器屏幕截圖顯示了雙脈沖電壓和電流波形以及測(cè)量結(jié)果

測(cè)試自動(dòng)化腳本

本節(jié)將介紹Python腳本示例，包括總體流程和組成腳本的功能塊。腳本由四大功能模塊組成：

示波器和探頭初始化

● 探頭通道配置

● 探頭設(shè)置配置

● 示波器初始化和模式設(shè)置

示波器垂直設(shè)置自動(dòng)設(shè)置

● 產(chǎn)生脈沖

● 根據(jù)捕捉到的波形調(diào)整所有模擬通道的垂直設(shè)置

雙脈沖測(cè)試初始化

● 測(cè)試項(xiàng)目的選擇

● 測(cè)試項(xiàng)目配置

● AFG脈沖創(chuàng)建和連接

雙脈沖測(cè)試和結(jié)果保存

● 脈沖發(fā)生

● 測(cè)試結(jié)果的獲取和保存

測(cè)試流程如下圖所示。在演示腳本中，測(cè)試參數(shù)和測(cè)試開關(guān)(例如：是否使用自動(dòng)設(shè)置或調(diào)整當(dāng)前通道偏置)在腳本開始時(shí)設(shè)置為常量，初始化部分結(jié)束后，配置儀器，執(zhí)行測(cè)試主循環(huán)并生成結(jié)果。

功能塊說(shuō)明

如前所述，DPT測(cè)試自動(dòng)化演示腳本由四個(gè)功能塊組成。本節(jié)將解釋各功能塊的設(shè)計(jì)理念和操作方法。關(guān)于輸入?yún)?shù)配置，請(qǐng)參閱腳本開頭 " 用戶輸入設(shè)置 " 部分的注釋。

功能模塊1 - 示波器和探頭初始化

該功能用于初始化探頭和示波器系統(tǒng)。要測(cè)量VDS、ID和VGS，需要兩個(gè)電壓探頭和一個(gè)電流探頭。

探頭初始化過(guò)程如下：

禁用通道1并從屏幕上刪除通道1顯示。

1)啟用三個(gè)通道(用戶在參數(shù)設(shè)置中定義的兩個(gè)電壓通道和一個(gè)電流通道);

2)設(shè)置電流通道的極性，因?yàn)橛脩艨赡軙?huì)因連接錯(cuò)誤或其它測(cè)試要求而希望翻轉(zhuǎn)電流方向;

3)根據(jù)需要設(shè)置替代單位比率，如安培/伏特(例如，使用分流電阻器測(cè)量電流時(shí));

4)在設(shè)置中配置用戶定義的通道糾偏參數(shù)。

示波器初始過(guò)程如下：

1)如果用戶自定義設(shè)置 "rst_scope_ena " 被設(shè)為1，則恢復(fù)默認(rèn)設(shè)置;

2)啟用高分辨率模式，提供更精確的測(cè)量能力;

3)將水平設(shè)置模式切換為手動(dòng)模式，根據(jù)測(cè)試要求設(shè)置采樣率和記錄長(zhǎng)度;

4)根據(jù)用戶定義的脈沖設(shè)置輸入計(jì)算所需的采樣率;

5)根據(jù)用戶定義的值設(shè)置觸發(fā)位置。如果用戶定義的值小于0，則使用默認(rèn)值25，即屏幕上25%的水平位置;

6)將觸發(fā)類型設(shè)為邊沿觸發(fā);

7)將觸發(fā)源設(shè)置為VGS通道輸入;

8)將觸發(fā)模式設(shè)置為正常和單次觸發(fā);

9)開始采集。

功能模塊2 - 示波器垂直設(shè)置和自動(dòng)設(shè)置

如果通過(guò)將用戶定義參數(shù) "autoset_vertical_ena " 設(shè)為1打開了垂直自動(dòng)設(shè)置功能，則將啟用自動(dòng)設(shè)置功能，并根據(jù)輸入信號(hào)幅度自動(dòng)調(diào)整垂直刻度和偏置。

如果禁用自動(dòng)設(shè)置功能，則所有三個(gè)通道的垂直刻度設(shè)置都將使用參數(shù)輸入界面進(jìn)行用戶定義垂直設(shè)置。所有三個(gè)通道都有自己的子開關(guān)切換，可分別獨(dú)立啟用/禁用每個(gè)通道的自動(dòng)設(shè)置。三個(gè)通道的垂直刻度自動(dòng)設(shè)置步驟相同。

詳細(xì)的自動(dòng)設(shè)置步驟如下：

a)根據(jù)用戶定義的輸入信號(hào)幅度初始化通道刻度，例如，Vgs為 "vgs_amplitude"，Vds為 "vds_amplitude"，Id為"id_amplitude"。

b)將自動(dòng)設(shè)置進(jìn)程狀態(tài)標(biāo)志設(shè)置為0并啟動(dòng)循環(huán)。當(dāng)標(biāo)志到達(dá)3時(shí)，當(dāng)前通道的自動(dòng)設(shè)置完成，循環(huán)將停止。

c)添加 "WBGEON" 測(cè)量項(xiàng)目，并在測(cè)試項(xiàng)目中配置AFG以產(chǎn)生脈沖。

d)啟用輸入通道的最大和最小測(cè)量功能，并將標(biāo)志設(shè)置為1。

e)獲取當(dāng)前垂直設(shè)置以及通道輸入信號(hào)的最小和最大測(cè)量值。

f)使用用戶定義的 "vertical_autoset_ratio" 快速收斂輸入信號(hào)的幅度到有效通道測(cè)量范圍，并將標(biāo)志設(shè)置為2。

g)繼續(xù)獲取當(dāng)前垂直分辨率以及通道輸入的最小值和最大值。微調(diào)通道刻度和偏置，以滿足用戶定義的誤差范圍。

h)編程設(shè)置并繼續(xù)執(zhí)行相同的程序，直到達(dá)到用戶定義的目標(biāo)誤差范圍。標(biāo)志將設(shè)置為3，自動(dòng)設(shè)置完成。

i)刪除測(cè)量項(xiàng)目并結(jié)束循環(huán)。

在本應(yīng)用示例中，腳本包含用于設(shè)置垂直刻度設(shè)置的代碼。不過(guò)，使用WBG-DPT軟件包中的預(yù)置功能通常會(huì)更方便。WBG-DPT預(yù)置簡(jiǎn)化了自動(dòng)設(shè)置程序。它使用用戶指定的雙脈沖設(shè)置來(lái)預(yù)設(shè)示波器的最佳垂直、水平、觸發(fā)和采集設(shè)置。預(yù)置后，只需從WBG-DPT測(cè)量面板運(yùn)行柵極激勵(lì)，即可讓AFG31000生成雙脈沖輸出。

功能模塊3 - 雙脈沖測(cè)試初始化

1)將所有測(cè)試項(xiàng)目添加到測(cè)試列表中。演示腳本支持以下測(cè)量：導(dǎo)通電量(Eon)、關(guān)斷電量 (Eoff)

2)Vds(峰值)發(fā)射極至集電極電壓、Id( 峰值 )、導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間td(on)、關(guān)斷延時(shí)時(shí)間td(off) 、 上升時(shí)間Tr、下降時(shí)間Tf、導(dǎo)通時(shí)間t(on) 、關(guān)斷時(shí)間t(off) 、WBGDDTdv/dt和di/dt。

3)可根據(jù)用戶需求和腳本修改支持更多測(cè)試項(xiàng)目。

a)為每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目設(shè)置信號(hào)源。

b)將設(shè)置寫入AFG以生成測(cè)試脈沖。請(qǐng)注意，5B系列MSO固件V2.6.38要求通過(guò)WBG命令發(fā)送的AFG設(shè)置與最后配置的測(cè)量相關(guān)聯(lián)。

功能模塊4 - 雙脈沖測(cè)試和保存結(jié)果

a)發(fā)送觸發(fā)命令 "WBGGSTIM"，啟動(dòng)測(cè)試循環(huán)并產(chǎn)生脈沖。

b)等待采集完成。

c)通過(guò)命令行讀取并顯示全部11個(gè)項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果。

d)如果 "remote_table_save_ena" 設(shè)置為1，則測(cè)試結(jié)果表將保存到示波器上的文件中。

e)如果 "remote_screen_save_ena" 設(shè)置為1，屏幕截圖將保存到示波器上的文件中。

f)如果 "remote_wfm_save_ena" 設(shè)置為1，波形將被保存到示波器上的文件中。

g)如果 "remote_session_save_ena" 設(shè)置為1，會(huì)話將被保存到示波器上的文件中。

h)如果 "local_wfm_save_ena" 設(shè)置為1，波形將被保存到運(yùn)行Python腳本的PC上的文件中。

i)如果 "local_table_ save_ena" 設(shè)置為1，測(cè)試結(jié)果表將保存到運(yùn)行Python腳本的計(jì)算機(jī)上的文件中。

j)重復(fù)測(cè)試，直到達(dá)到用戶定義的循環(huán)次數(shù)。

k)釋放內(nèi)存并結(jié)束測(cè)試。