功率电子测试与测量解决方案

现在的功率电子面临的最大挑战是对使用了碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)半导体的系统进行测试。电源转换器等功率设备使用这些宽禁带材料后，工作频率、电压和温度会更高。这给转换器设计带来了诸多优点，提高了功率效率，减少了尺寸和重量，还降低了制造成本。许多注重功率密度和尺寸的设备早已使用WBG材料，包括太阳能设施、电动车(EV)、电动车充电器和消费类电子设备。

有一点需要注意，尽管SiC和GaN材料具有许多优点，测试采用这些技术的电路时会面临一些特殊的挑战：

▶ 电磁干扰：开关频率、边沿斜率和电压变得更高，加剧了过冲和振铃，从而产生更大的频率谐波。转换器设计中会由此出现更严重的传导和辐射发射。

▶ 寄生效应：无源器件的寄生特性在高频下会降低功率设备的性能，需要正确识别这些寄生效应。

▶ 动态范围：功率电子设备的电流和电压量程较大，难以准确测量。

▶ 量化损耗：快速斜率变化给估计晶体管的开关损耗带来了挑战。寄生效应、传播延迟和测试与测量设备的带宽等因素都会影响损耗的计算。

罗德与施瓦茨公司针对功率电子设备测试的挑战所提供的解决方案。文章涵盖了从器件测试到生产测试的各个方面，详细描述了罗德与施瓦茨的测试设备如何帮助工程师应对使用宽禁带半导体材料带来的挑战。以下是对这些核心内容的简要概述：

1. 功率电子测试的挑战：

  电磁干扰：高频开关导致严重的传导和辐射发射。

  寄生效应：高频下无源器件的寄生特性影响设备性能。

  动态范围：大电流和电压量程的准确测量困难。

  量化损耗：快速斜率变化增加开关损耗估计的复杂性。

2. 罗德与施瓦茨的解决方案：

  EMC测量：从早期EMI测量到完整EMC一致性测量，提供示波器和频谱分析仪。

  无源器件测试：使用LCR表模拟实际工作条件，评估器件性能。

  高压和大电流测量：示波器和高压差分探头用于准确测量大偏置范围内的小信号。

  电源模拟：提供灵活的电源设备，模拟不同的输入和负载场景。

3. 器件表征：

  无源器件测试：R&SLCX100/LCX200 LCR表测量复阻抗，提供等效电路图数值。

  半导体特性测量：R&SNGU源测量单元进行I/V扫描，推导半导体参数。

4. 电池模拟与管理：

  电池单元模拟：R&SNGM200电源系列模拟真实电池输出性能。

  电池管理系统：R&SNGL200和R&SNGM200支持双象限操作，模拟电池盒特性。

5. 电源转换器验证：

  自动测量：示波器电源分析软件提供必要测量功能，如浪涌电流、输出频谱等。

  多通道测量：八通道示波器便于测量多级结构功率设备。

  控制环路响应：使用示波器和频率响应分析选件验证控制环路的稳定性。

6. 开关分析：

  高压测量：R&SRT-ZHD探头和R&SRT-ZISO隔离探测系统用于高电压和快速开关环境。

  双脉冲测试：联合PE-Systems提供动态开关行为表征解决方案。

7. EMI调试：

  早期设计阶段：示波器具备快速响应的FFT分析功能，支持独立式EMI测试。

  预一致性测量：示波器与近场探头和高压差分探头结合，优化功率电子电路。

8. 验证与生产测试：

  电源转换器测试：MXO5和MXO5C示波器适用于高垂直分辨率、深存储的测试需求。

  家用电器测试：R&S®NPA功率分析仪系列根据IEC62301等标准进行效率测试。

9. 标准实验室设备：

  电源：提供多种型号的直流电源，满足不同功率和精度需求。

  万用表：R&S®HMC8012数字万用表具备高分辨率和精度，适用于实验室使用。

为功率电子设备的测试与测量提供了全面的解决方案，通过罗德与施瓦茨的高质量测试设备，帮助工程师在设计、验证和生产阶段获得准确可靠的结果。