前言

WBG半導體評估，電流波形的的觀測日漸重要

以SiC與GaN為代表的WBG半導體，藉由高速響應特性，有助於提升電力轉換器的高效率化與小型化。另一方面，由於電流變化變得更加陡峭，因此要正確掌握峰值電流、di/dt、振鈴（Ringing）、逆回復電流等現象也變得更加困難。在雙脈衝測試中，需同時測量電壓波形與電流波形，並評估導通／關斷特性以及開關損耗。因此，電流波形的頻寬不足、延遲、雜訊以及偏移量變動等因素，都會直接影響評估結果。

本文將比較AC/DC電流探棒、同軸分流器以及羅氏線圈，整理WBG半導體雙脈衝測試中電流量測方法的選擇重點。

雙脈衝測試中量測的電流波形

導通、關斷、逆回復時要觀察什麼？

在雙脈衝測試（DPT）中，透過短脈衝驅動功率元件，觀察開關動作時的過渡波形。在第1個脈衝中使負載電感電流上升，在第1個脈衝結束時評估關斷特性，並在第2個脈衝開始時評估導通特性。主要確認的電流波形包括：電感電流、導通／關斷時的電流變化、峰值電流、di/dt、振鈴以及逆回復電流。這些電流波形會搭配V_ds／V_ce等電壓波形一起分析，並用於計算瞬時功率以及E_on、E_off等開關損耗。

雙脈衝測試迴路圖

雙脈衝測試的波形特性

因此，電流波形的上升會變緩，無法正確捕捉峰值波形，振鈴現象也會衰減，電壓波形等時間錯開等測量誤差，會直接影響開關特性的評估。

開關特性的測量結果
黃色：電流波形I_d、藍色：電壓波形V_ds、淺藍色：電力計算波形（電流波形ｘ電壓波形）

電流測量方式的比較

雙脈衝測試所使用的電流測量方式主要有AC/DC電流探棒、同軸分流器以及羅氏線圈。以上都是可行的方法，但測量原理與連接方式有所不同，也有不同的優缺點與注意點。

 

 

實測比較

電流上升波形

本評估將以脈衝編碼器的輸出訊號為基準，比較了相同條件的電流上升波形。比較對象包含同軸分流器、AC/DC電流探棒、羅式線圈等三種類。

測量方法	帶寬規格
同軸分流器	2Gz
AC/DC電流探棒	120MHz
羅式線圈	30MHz

同軸分流器的波形，與基準訊號相比延遲最少，可以高速捕捉電流上升的情況。另一方面，觀測波形出現相當大的Overshoot，所以需要考慮插入測量迴路、連接條件、寄生成分等影響。

AC/DC電流探棒的波形，與基準訊號相比較慢開始上升。另外與同軸分流器相比，上升的傾斜角度較緩慢。可考慮是因為電流感測器的頻率上限所影響。另一方面，Overshoot也較小，波形整體較穩定，在電流上升的變化中可以更準確的掌握。

最後，羅式線圈的波形，從電流訊號開始上升前就出現振鈴現象，在上升中與上升後都可以觀測到振動成分。另外，上升的角度也較緩，這是因為受到羅式線圈的頻率上限、積分迴路與安裝條件的影響。

由本次測量的結果來看，各種測量方法所呈現的波形都具有不同的特性。同軸分流器在高頻、延遲較少等方面表現優異，但需要注意連接條件所導致的波形變化。羅式線圈也是在大電流測量中相當有效的手法，在高速的上升波形的詳細觀測中，會受到頻寬、振鈴現象等影響。

AC/DC電流探棒，擁有與同軸分流器相當的高頻，不但可以減少對迴路改造的影響，Overtshoot與振鈴現象的影響也較小，能夠取得穩定的波形。可廣泛運用在DPT的條件設定、波形比較、設計評估、DEBUG等用途中的實用電流測量方式。

選擇測量方法時的確認要點

不僅要確認頻寬，也要整體的測量情況

雙脈衝測試的電流測量方法，僅單純考慮頻寬是不夠的。還須根據評估目的、測量電流、DC成分的有無、迴路的影響、連接的難易度、安全性等條件進行綜合判斷。

選擇項目	需確認的內容
評估目的	要評估Eon、Eoff的詳細解析、波形確認、條件設定或是進行DEBUG？
頻寬	是否能捕捉電流上升、峰值電流、振鈴現象？
最大測量電流	脈衝電流與峰值電流是否含在測量頻寬內？
是否能測量DC成分	是否可觀測電桿電流的上升或是電平？
對迴路的影響	測量儀器插入迴路後是否會產生寄生電感或是波形變化？
延遲、補償	製造商是否提供電壓波形與時間差的補償值？
連接性、再現性	相同位置、條件是否可簡單進行反復測量？
安全性	高電壓、大電流條件下的額定、絕緣、使用是否安全？

 

 

特別是在E_on、E_off等開關損失的評估時，電壓波形與電流波形的時間軸同步相當重要。電流波形就算只有一些延遲，也會影響瞬間電力的計算結果。在測量前，使用電壓探棒與確認電流測量的延遲，根據需求進行補償等。

使用AC/DC電流探棒的場合，在測量前是否有進行調零、確認電流方向、量程設定等。另外若要測量高頻、大電流的波形，需額外確認頻率降額定。不僅要確認規格上所寫最大電流，也須注意測量的頻率成分，是否有包含在可測量頻率範圍內。

DPT是需要使用高電壓、大電流的測量，測量迴路中會累積大量的能源，相當危險。所以在連接或是變更測量儀器時務必要將電源遮斷，確認被測物中是否還有殘留電荷。務必搭配使用安全護蓋、互鎖、絕緣治具、保護工具等，確認測試人員不會接觸到充電部分。

總結

根據測量目的，選擇電流測量方法

電流探棒 CT6711：頻寬120MHz

電流探棒 CT6704：頻寬30MHz

雙脈衝測試中電流波形的觀測品質對開關特性的評估會有很大的影響。為了正確評估峰值電流、di/dt、振鈴、逆回復電流、E_on、E_off等數值，不僅要理解被測物的特性，也需要了解電流測量方式的特性。

同軸分流器中，在高頻與延遲較少的測量中較有效，另一方面，需要考慮插入迴路、連接部分的寄生成分、發熱、絕緣、安全性等問題。羅式線圈在大電流脈衝的觀測中相當有效，但無法測量DC成分，且要注意在高速上升波形會出現振鈴現象或是偏移。

AC/DC電流探棒，擁有與同軸分流器差不多的高頻，還能透過勾式連接，能觀測包含DC的電流波形。在這次的實測中，可以抑制迴路改造的風險，雙脈衝實驗中也能穩定取得所需要的上升電流波形。

重要的事情是，根據評估目的適當的區分使用的測量儀器。詳細的損失解析、波形確認、條件設定、設計DEBUG等，各自所需求的測量條件皆不相同。頻寬、電流額定、可否測量DC、對迴路的影響、延遲、安全性，對測量整體判斷都相當重要。

HIOKI提供可與示波器組合使用的DC/AC電流探棒。在WBG半導體、雙脈衝測試、變頻器評估、DC/DC轉換器評估、高速電流波形的觀測中，可根據測量條件選擇適當的電流探棒。