動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻（R_DS(on)）是電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員理解電荷俘獲效應(yīng)影響的重要參數(shù)。然而，關(guān)于其測(cè)量技術(shù)的知識(shí)體系仍相對(duì)較新。傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)R_DS(on)測(cè)量技術(shù)依賴于二極管鉗位電路，使示波器能夠以足夠的分辨率測(cè)量漏源電壓，而不會(huì)使示波器輸入過(guò)載。泰克為4、5和6系列MSO示波器推出的寬禁帶雙脈沖測(cè)試（WBG-DPT）測(cè)量軟件引入了一種新的軟件鉗位方法，采用獨(dú)特的雙探頭技術(shù)，無(wú)需使用鉗位電路。

測(cè)量動(dòng)態(tài)R_DS(on)的挑戰(zhàn)

動(dòng)態(tài)R_DS(on)是指FET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中導(dǎo)通時(shí)，漏極與源極端子之間的平均電阻。漏源電阻R_DS(on)是所有FET的重要參數(shù)，因?yàn)樗莻鲗?dǎo)損耗和效率的一個(gè)關(guān)鍵因素。R_DS(on)通過(guò)漏源電壓（V_DS）與漏極電流（I_D）的比值計(jì)算，并可表示為時(shí)間的函數(shù)：

R_DS(on)可以表示為開(kāi)關(guān)周期導(dǎo)通部分該函數(shù)的平均值。動(dòng)態(tài)R_DS(on)由復(fù)雜半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的電荷俘獲現(xiàn)象引起。研究GaN半導(dǎo)體的研究人員對(duì)動(dòng)態(tài)R_DS(on)特別感興趣。GaN可能會(huì)出現(xiàn)電流崩塌現(xiàn)象，其中動(dòng)態(tài)R_DS(on)會(huì)增加。當(dāng)器件在關(guān)斷狀態(tài)、漏源之間存在高電壓時(shí)，電子被俘獲在器件結(jié)構(gòu)中，就可能發(fā)生這種情況。而對(duì)于SiC器件來(lái)說(shuō)這個(gè)問(wèn)題要小一些，但設(shè)計(jì)人員也可能對(duì)測(cè)量動(dòng)態(tài)R_DS(on)感興趣。

要測(cè)量R_DS(on)，必須能夠準(zhǔn)確測(cè)量V_DS(t)。測(cè)量R_DS(on)的主要挑戰(zhàn)源源于需要在高幅值開(kāi)關(guān)信號(hào)中測(cè)量小的導(dǎo)通電壓。開(kāi)關(guān)電壓V_DS(t)的幅值根據(jù)應(yīng)用不同可達(dá)800V或更高。然而在導(dǎo)通狀態(tài)下，如圖2所示，V_DS(t)會(huì)很低，約為10V或更小。此外，GaN和SiCFET可以以極高的轉(zhuǎn)換速率開(kāi)/關(guān)。這些因素帶來(lái)了重大測(cè)量挑戰(zhàn)：

● 在完整范圍內(nèi)捕獲V_DS信號(hào)會(huì)導(dǎo)致V_DS(on)的數(shù)字分辨率差。ADC量化誤差占信號(hào)的很大比例，導(dǎo)致大量量化噪聲。

● 簡(jiǎn)單地增加示波器的垂直靈敏度會(huì)導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)輸入放大器過(guò)載，除非進(jìn)行校正，否則會(huì)在過(guò)載恢復(fù)期間產(chǎn)生測(cè)量誤差。

● 高擺率會(huì)因寄生電感和電容引入畸變，這些需要時(shí)間才能穩(wěn)定。

由于開(kāi)關(guān)電壓V_DS可能很高且可能相對(duì)于地浮動(dòng)，通常使用高壓差分探頭測(cè)量開(kāi)關(guān)電壓。差分探頭有助于避免接地問(wèn)題，從而提高R_DS(on)測(cè)量的準(zhǔn)確性。功率電子實(shí)驗(yàn)室中通常都會(huì)備有THDP系列差分探頭。因此，THDP系列探頭已針對(duì)此方法進(jìn)行了測(cè)試并推薦使用。

如前所述，如果使用低靈敏度（高V/div）捕獲整個(gè)V_DS范圍，關(guān)斷狀態(tài)下的電壓僅代表示波器模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和探頭放大器量程的一小部分，因此采集分辨率低。一種可能的方法是使用高靈敏度（低V/div）采集低導(dǎo)通電壓，以充分利用差分探頭和示波器量程。然而，使用高靈敏度采集高幅值信號(hào)會(huì)使差分探頭中的放大器過(guò)載，導(dǎo)致在短暫的過(guò)載恢復(fù)期間產(chǎn)生不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

圖1. R_DS(on)波形表征FET導(dǎo)通狀態(tài)下，漏源電壓（V_DS）與漏極電流（I_D）的動(dòng)態(tài)比值關(guān)系。

圖2. 高幅值的V_DS與微小的導(dǎo)通態(tài)電壓使得R_DS(on)的測(cè)量極具挑戰(zhàn)性。這一新方法通過(guò)校正實(shí)現(xiàn)了高靈敏度測(cè)量。

WBT-DPT測(cè)量自動(dòng)化軟件中的新軟件鉗位技術(shù)使設(shè)計(jì)人員能夠使用手頭已有的設(shè)備快速測(cè)量動(dòng)態(tài)R_DS(on)。

基于示波器的新鉗位方法

Tektronix的軟件鉗位方法消除了對(duì)專用鉗位電路的需求。它依靠帶有兩個(gè)高壓差分探頭的示波器連接到FET上測(cè)量漏源電壓（V_DS）。如圖3所示，使用兩個(gè)差分探頭測(cè)量V_DS電壓，每個(gè)探頭設(shè)置為不同的靈敏度。

圖3. 采用雙高壓差分探頭測(cè)量V_DS信號(hào)：一路探頭設(shè)置為高量程（如1500V）及高垂直刻度（如100V/格），另一路設(shè)置為低量程（如150V）及精細(xì)垂直刻度（如10V/格）。

● 一個(gè)差分探頭捕獲FET關(guān)斷時(shí)V_DS從高到低的完整轉(zhuǎn)換。

● 另一個(gè)差分探頭僅以高靈敏度捕獲R_DS(on)區(qū)域，在FET導(dǎo)通且V_DS較小時(shí)提供高分辨率。這相當(dāng)于有意削剪V_DS上的信號(hào)。注意這種方法類似于使用二極管鉗位電路削剪信號(hào)，但需要應(yīng)用校正以獲得良好結(jié)果。

圖4. 采用THDP0200高壓差分探頭組對(duì)漏源電壓（V_DS）進(jìn)行同步采集：其中一路探頭以標(biāo)準(zhǔn)垂直刻度獲取完整V_DS波形數(shù)據(jù)，另一路探頭通過(guò)更高靈敏度的垂直刻度設(shè)置獲取V_DS細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，該通道將觸發(fā)波形削波告警提示。

WBG-DPT軟件將全量程和高靈敏度（但過(guò)載）V_DS波形組合，推導(dǎo)出導(dǎo)通狀態(tài)下漏源電壓的高分辨率復(fù)合波形。通常不建議過(guò)載差分探頭或示波器前端，因?yàn)樵诜糯笃鲝某銎湔Ｒ?guī)格的驅(qū)動(dòng)中恢復(fù)時(shí)，測(cè)量質(zhì)量可能存疑。這被稱為"過(guò)載恢復(fù)時(shí)間"，是放大器的常見(jiàn)規(guī)格。WBG-DPT應(yīng)用中的動(dòng)態(tài)R_DS(on)算法應(yīng)用多種技術(shù)來(lái)減輕以下影響：

● 低靈敏度（高V/div）下過(guò)度的ADC量化噪聲

● 隨機(jī)噪聲

● 探頭穩(wěn)定時(shí)間、探頭誤差和畸變

● 削波波形上的過(guò)載恢復(fù)

圖5. 通過(guò)信號(hào)處理算法融合削波參考波形（R4）與全量程波形（R1），生成經(jīng)校正的V_DS(on)派生波形（M1）――該波形在保留削波波形高分辨率特性的同時(shí)，利用全量程V_DS數(shù)據(jù)完成幅值修正。

量化誤差、穩(wěn)定時(shí)間和過(guò)載恢復(fù)的影響如圖5所示，過(guò)載/削剪的R4顯示延長(zhǎng)的振鈴和達(dá)到實(shí)際電壓值的恢復(fù)時(shí)間。未削剪的R1捕獲了覆蓋總線電壓的完整V_DS電壓信號(hào)，但存在明顯的量化問(wèn)題。

使用信號(hào)調(diào)理推導(dǎo)低噪聲V_DS(on)

在典型的雙脈沖測(cè)試（DPT）中，開(kāi)關(guān)器件在第一個(gè)脈沖期間初始導(dǎo)通，允許通過(guò)負(fù)載電感的電流線性增加，直到達(dá)到所需的測(cè)試水平。然后器件關(guān)斷，隨后用第二個(gè)脈沖重新激活，以評(píng)估其在指定測(cè)試電流下的開(kāi)關(guān)性能。R_DS(on)在第二個(gè)脈沖期間測(cè)量。

V_DS(on)的信號(hào)調(diào)理算法假設(shè)滿足以下條件：

● 以突發(fā)方式執(zhí)行兩個(gè)導(dǎo)通周期，如雙脈沖測(cè)試。使用第一個(gè)脈沖的信息增強(qiáng)第二個(gè)脈沖。第一和第二脈沖之間需要50μs間隙，使任何穩(wěn)定誤差對(duì)兩個(gè)脈沖相同。探頭和示波器通常具有約10μs的時(shí)間常數(shù)，因此50μs的穩(wěn)定時(shí)間通常足夠。

● 第一和第二脈沖寬度應(yīng)至少為10μs，使算法可以忽略初始紋波，專注于實(shí)際的R_DS(on)。

● 突發(fā)之間有足夠的延遲，使DUT在多次雙脈沖測(cè)試之間保持穩(wěn)定。

● V_DS削波波形的垂直刻度足夠靈敏以提供足夠分辨率，但也不至于過(guò)度靈敏導(dǎo)致信號(hào)代表性不足。

WBG-DPT應(yīng)用的PRESET功能根據(jù)指定的V_DS開(kāi)關(guān)電壓自動(dòng)設(shè)置刻度。以下是動(dòng)態(tài)R_DS(on)測(cè)量算法中的高級(jí)步驟。

1、多組雙脈沖測(cè)試的波形平均處理

為降低隨機(jī)噪聲對(duì)測(cè)量的影響，可執(zhí)行多次雙脈沖測(cè)試并對(duì)結(jié)果波形進(jìn)行平均處理。WBG-DPT的R_DS(on)測(cè)量功能支持此操作，默認(rèn)每組測(cè)量進(jìn)行8次波形平均。

2、全量程與削波V_DS(on)信號(hào)段的融合

圖6. 全量程波形（通道2）與削波波形（通道3）的融合處理

通過(guò)算法整合全量程V_DS(on)段（高動(dòng)態(tài)范圍）與削波V_DS(on)段（高分辨率），生成精確的導(dǎo)通電阻特性曲線。此校正通過(guò)使用未削剪的全量程信號(hào)生成低頻偏移校正，保持削波樣本中的高分辨率信息。結(jié)果是具有導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)增強(qiáng)垂直分辨率的復(fù)合V_DS波形。導(dǎo)出的V_DS表示導(dǎo)通區(qū)域，就好像時(shí)域波形是以較低垂直刻度采集的。

3、從導(dǎo)通2中減去導(dǎo)通1以消除穩(wěn)定誤差

在復(fù)合V_DS波形中，V_DS(off)和V_DS(on)之間兩個(gè)電壓階躍的任何穩(wěn)定誤差在兩個(gè)脈沖的第一和第二脈沖中應(yīng)幾乎相同，因?yàn)閮蓚€(gè)脈沖的階躍步進(jìn)大致相同。這假定兩次導(dǎo)通之間的時(shí)間足夠長(zhǎng)以使得測(cè)量系統(tǒng)在周期之間穩(wěn)定。

因此，為了從導(dǎo)出的V_DS中消除一致的穩(wěn)定誤差，從第二V_DS(on)段的樣本中減去第一V_DS(on)段的樣本。這既消除了穩(wěn)定誤差，也消除了兩個(gè)脈沖共有的任何V_DS(on)。第二脈沖中剩余的電壓將是由于第二脈沖中流經(jīng)R_DS(on)的較高電流。從第二周期的Id中減去第一導(dǎo)通周期的Id，以得到流經(jīng)R_DS(on)的增量電流。

一旦知道來(lái)自第二關(guān)斷周期的增量電壓和電流，就使用歐姆定律計(jì)算R_DS(on)的樣本。這些樣本被顯示出來(lái)，并可用于確定測(cè)量值，如周期內(nèi)的平均R_DS(on)。注意由于上述信號(hào)處理，僅與第二關(guān)斷周期相關(guān)的R_DS(on)才是有效的并顯示出來(lái)。

圖7. 配置WBG-DPT雙脈沖測(cè)試分析功能的5系列B MSO示波器正在進(jìn)行動(dòng)態(tài)R_DS(on)測(cè)量

使用軟件鉗位技術(shù)執(zhí)行動(dòng)態(tài)R_DS(on)測(cè)量

與任何動(dòng)態(tài)R_DS(on)測(cè)量方法一樣，使用此新技術(shù)時(shí)必須謹(jǐn)慎操作。如上文所述，建議采用10μs的脈沖寬度和50μs的脈沖間隔。削波波形在垂直刻度上存在限制。該算法已通過(guò)泰克THDP系列高壓差分探頭的測(cè)試，但尚未使用其他探頭進(jìn)行驗(yàn)證。此方法不適用于測(cè)量低于10mΩ的動(dòng)態(tài)R_DS(on)。

執(zhí)行動(dòng)態(tài)R_DS(on)測(cè)量的測(cè)試設(shè)置如圖8和圖9所示。系統(tǒng)包括：

● 4、5或6系列BMSO示波器

● WBG-DPT雙脈沖測(cè)試軟件許可證

● THDP0100或THDP0200：各2個(gè)用于測(cè)量削波V_DS和全量程V_DS信號(hào)

● AFG31000系列函數(shù)發(fā)生器

● TRCP、TCP0030A或TCP0150或帶TICP電流探頭的CVR用于測(cè)量ID

● 用于低側(cè)VGS的TPP1000

● 電源供應(yīng)VDD

● 作為DUT的SiC或GaN測(cè)試板

圖8. 低邊FET動(dòng)態(tài)R_DS(on)測(cè)量測(cè)試配置示意圖。需注意：兩個(gè)高壓差分探頭分別連接在FET的漏極和源極端子。

圖9. 實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)R_DS(on)測(cè)試配置實(shí)景圖

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