隨著 SiC、GaN 等新型功率器件的廣泛應用，功率器件動態參數測試對系統響應速度、同步精度和靈活性提出了更高要求。本文基于 Liquid Instruments 的 Moku 平臺，提出一種可重構、高集成度的功率器件動態特性測試系統設計方案。通過集成示波器、信號源、PID 控制器及數據記錄儀等多種功能，Moku 平臺可實現測試系統一體化構建與自動化控制，顯著降低開發成本與復雜度，同時保證測量精度和可擴展性，為功率電子測試提供了靈活、高效的解決方案。

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行業背景與測試挑戰

在功率半導體快速發展的背景下，基于新型材料的MOSFET、IGBT 等器件在開關速度與效率持續提升，這對測試系統的帶寬、響應速度及同步采樣能力提出了更高要求。傳統測試方案依賴多臺分體儀器（如高帶寬示波器、信號源、控溫模塊等），導致系統復雜、成本高、通信與同步難度大。工程師在搭建實驗系統時不僅要處理多儀器接口、觸發同步和數據對齊問題，還需投入大量時間進行程控開發。

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功率器件動態參數測試需求

動態特性包含開通特性測試，關斷特性測試以及短路特性測試。測試時記錄功率器件在不同控制信號及負載條件下的電流、電壓波形，通過分析波形數據計算出功率器件的開關時間參數，開關損耗，動態阻抗等參數。動態參數測試作為評估功率器件的核心手段之一，其重要價值表現在如下幾個方面：（1）性能評估：通過動態測試，可以準確評估功率器件在實際工作條件下的性能，包括響應速度、效率、損耗、穩定性等。這有助于優化器件設計和選擇最適合特定應用的器件；（2）應用匹配：通過了解器件的動態特性，可以更準確地匹配器件與特定應用需求，確保器件在實際應用中能夠達到最佳性能和效果；（3）可靠性分析：動態測試可以揭示器件在不同工作條件下的可靠性和耐用性，同時動態測試也能為器件結溫估算提供必須數據支撐，而結溫是器件可靠運行的核心要素之一。這對于預測器件的壽命、提前檢測潛在故障并采取相應的維護措施均至關重要；（4）優化設計：動態測試結果可以為器件設計提供反饋，幫助工程師識別和解決設計中的問題，從而改進器件的性能和效率。總體而言，功率器件動態測試不僅可以提供關于器件性能、可靠性和穩定性的寶貴信息，還可以為優化設計、匹配應用和節約成本提供有力支持，對于確保器件在各種應用場景中高效和高效運行具有十分重要的意義。

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典型測試系統構成及設計要點

目前業內功率器件動態參數的測試評估主要通過雙脈沖測試來進行，雙脈沖測試簡化原理說明如圖1：

圖1 雙脈沖測試原理圖

圖中 Vcc 為高壓電源，為測試系統主功率回路提供能量；DUT 為待測器件，可以是MOSFET, IGBT, Diode 等開關器件或其對應模塊；Ls 為測試回路分布電感，在進行測試系統設計時該寄生單數越小越好，具體實現方式可查詢相關技術資料本文不再敘述；L 為負載電感，D 為負載電感的續流回路，在功率器件關斷時為電感提供續流通路，若去掉續流二極管本電路則變為雪崩能量測試電路，可以用于評估功率器件雪崩能力（圖1顯示的是功率器件感性負載開關測試系統，若將 L 和 D 整體替換為電阻則整個系統變為阻性開關測試系統）；與待測器件（DUT）控制極相連的 VGG1, VGG2 分別提供驅動待測器件開通和關斷的電壓信號，與其互聯的電阻為開通/關斷的限流電阻，用以調整待測器件的開通/關斷速度，這部分電路具體設計實現方式一般為信號發生器搭配推挽放大電路或者驅動模塊實現，信號發生器提供脈寬可調制的控制信號，推挽放大電路或者驅動模塊直接與待測器件控制極相連。采用以上原理圖進行測試時首先通過將 Vcc 設置為特定的電壓，然后控制信號發生裝置驅動待測器件開通關斷兩次，在此過程中采用示波器監控記錄幾個節點位置的電壓、電流波形，需記錄的波形節點位置如圖1中紅圈所示。測試過程中采集到的波形如下圖2所示：

圖2測試過程中需采集波形示意圖

圖2中上半部分為控制極電壓波形，VGG1為待測器件開通所需控制極電平,VGG2 為待測器件關斷所需控制極電平；下半部分的 Ic 和 Vce 分別為待測器件輸出端口的電流信號和電壓信號。通過分析以上波形即可得到待測功率器件在電路中做電子開關使用時的開通和關斷行為特性，如時間，損耗等參數。將待測器件與控溫部件相結合則可實現不同溫度下開關測試功能。圖1中若將電感L及續流二極管整個短路即可變為功率器件短路測試電路，可用于評估功率器件短路耐受能力，測試原理示意圖如圖3所示。

圖3 短路測試原理示意圖

基于以上分析可知完成該項測試需匹配的資源如下：

1. 示波器用于采集待測器件波形數據；
2. 信號發生器用于為待測器件提供開關驅動信號；
3. 高壓電源，為測試系統主功率回路提供能量；
4. 控溫部件一般由 PID 控制器及熱板構成，為待測器件提供可控溫度環境，實現不同溫度下開關測試功能；
5. 安全連鎖裝置，系統帶高壓時操作區域安全鎖及高壓狀態指示燈，主要實現對測試人員及系統的安全保護；
6. 計算機提供上位機軟件運行環境，實現波形數據處理及測試系統整機控制功能。
   

測試系統整體架構如圖4所示：

圖4 測試系統架構

現有市場主要提供定制化產品或由實驗室技術人員搭建的系統，這不僅增加了復雜度和成本，還面臨信號一致性、抗干擾能力及設備管理上的挑戰。

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基于 Moku 平臺的系統架構

Moku 采用 FPGA 可重構架構，將多種常用實驗儀器功能集成于單臺設備中，包括示波器、信號發生器、PID 控制器、數據記錄儀、鎖相放大器等。用戶可在幾秒鐘內切換或并行運行多個儀器功能，實現高靈活度的系統搭建。以上圖示測試架構中多個儀器功能可以僅通過一臺 Moku 設備替代。

圖5 使用 Moku 多儀器并行構建高度自定義的測試系統，一臺設備即可實現靈活且高效的測試方案在功率器件動態測試系統中，考慮到功率器件測試場景要求的示波器帶寬及通道數量，這里以 Moku:Pro 型號為例，Moku:Pro 具備四個輸出通道，4個輸入通道，系統集成時考慮充分利用這些輸入輸出端口資源，結和 Moku 設備的多儀器并行功能，可采用如下方案：

1. 3個輸入端口作為示波器3個數據采集通道，分別采集待測功率器件的電壓，電流及控制極信號；
2. 2個輸出端口可作為信號發生器的控制信號輸出端口用于給待測功率器件提供柵極控制信號；
3. 1個輸入端口與1個輸出端口作為PID控制器的信號輸入與輸出端口，通過與外部控溫熱板相連實現 PID 溫度控制器功能，為待測器件提供可控溫度環境；
4. 最后1路輸出端口可用于測試系統安全連鎖，如驅動測試系統狀態指示燈及安全鎖等；
5. 基于以上資源分配方案在計算機上做系統集成開發，如采用 LabVIEW，Python 等編寫控制軟件，同時 Moku 提供功對應編程平臺功能完善的 API 庫函數，這使得軟件編寫更為簡單高效，可進一步提升系統開發效率。

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Moku 動態參數測試系統的優勢：精準、高效、經濟

Moku 平臺憑借可重構硬件架構與軟件定義儀器技術，將信號生成、測試分析、控制調節等15+種儀器功能集成到一臺設備，為功率器件動態參數測試提供了一整套靈活、高效且成本可控的解決方案。與傳統多儀器方案相比，基于 Moku 的測試系統在以下方面具有顯著優勢：

• 極大的成本優勢：Moku 單臺設備豐富的儀器資源，在功率器件測試系統開發時單臺設備即可實現示波器，信號發生器，PID 控制器等集成測試系統所必須的硬件資源，與單獨購買分體硬件資源相比會極大降低系統硬件成本；
• 系統集成度高：同樣也是因為一機多用的特點，采用 Moku 方案進行系統開發時可極大減小系統體積，使其更適用于實驗室及研發測試等應用場景；
• 極大降低系統開發難度：與傳統分體硬件方案相比，采用 Moku 方案可極大降低系統開發的工作量及技術難度。例如，采用分體硬件方案，開發人員可能需要研讀不同儀器技術手冊，了解其程控通信方式，指令集等，然后占用多路通信資源，在計算機上編寫程序分別控制這些硬件資源，甚至需要進行嵌入式系統開發以實現系統安裝功能。而采用 Moku 方案后因為這些硬件資源均有同一臺設備提供，這極大的降低了儀器程控的工作量，程序編寫也變的更為簡單，同時也可省去嵌入式系統的開發需求。
• 精確同步：多儀器并行模式支持最多 8 個儀器同時運行，儀器間數字互聯和時鐘總線設計減少物理線纜，降低噪聲、相位和時序偏差；
• 可編程與自動化：支持 Python、MATLAB、LabVIEW API，快速構建自動化測試流程；FPGA 可編程性允許自定義信號處理算法，與其他儀器功能無縫結合；
• 數據分享：可遠程監控與協作、實時分享數據。