Đo xung kép là gì? Vì sao datasheet SiC/GaN chưa đủ để chốt thiết kế

Hệ đo xung kép Keysight PD1500A — máy phân tích động linh kiện công suất (ảnh minh họa: Techmaster)

Một kỹ sư thiết kế bộ biến đổi công suất mở datasheet của con SiC MOSFET vừa chọn, chép lấy con số tổn hao đóng cắt, đưa vào bài toán nhiệt, rồi đóng vỏ. Sáu tháng sau, mẫu chạy nóng hơn tính toán và nhiễu EMI vượt ngưỡng. Không ai làm sai phép tính cả — vấn đề nằm ở chỗ con số kia được đo trong một điều kiện khác. Đo xung kép (double-pulse test, DPT) là phép đo sinh ra để trả lời đúng câu hỏi đó: linh kiện này, trong mạch của bạn, với mạch lái cổng của bạn, ở nhiệt độ của bạn, thực sự mất bao nhiêu năng lượng mỗi lần đóng cắt.

Đo xung kép là gì, và nó thấy được cái gì mà phép đo tĩnh không thấy?

Phép đo tĩnh đặt linh kiện ở một trạng thái ổn định rồi đọc số: đặc tuyến ra, điện áp ngưỡng, điện trở dẫn, điện dung ký sinh, điện áp đánh thủng. Đó là địa hạt của các máy phân tích linh kiện công suất như Keysight B1506A và B1505A — chúng tôi đã viết riêng về cách đo đặc tính tĩnh cho linh kiện SiC/GaN.

Nhưng tổn hao đóng cắt không tồn tại ở trạng thái ổn định. Nó chỉ tồn tại trong vài chục nano giây khi linh kiện đang chuyển trạng thái, lúc điện áp còn cao mà dòng đã lên. Muốn đo được, phải bắt linh kiện chuyển mạch ở đúng mức dòng và đúng mức áp mà nó sẽ gặp trong mạch thật — và đó chính là việc hai xung làm.

Bốn bước của một chu trình đo xung kép (ảnh minh họa: Techmaster)

Trình tự, theo đúng mô tả trong tài liệu kỹ thuật của Keysight, gồm bốn bước. Đóng khoá S1 để nguồn cao áp nạp tụ DC-link C1 và tụ khử ghép C2. Mở S1, cho T2 dẫn — tụ C1 bơm dòng vào cuộn cảm tải L, và độ rộng của xung thứ nhất chính là thứ quyết định mức dòng I_D mà bạn muốn thử. Tắt T2: đây là chỗ lấy đặc tính tắt, còn dòng cuộn cảm chạy vòng qua diode thân của T1. Bật T2 lại: đặc tính bật được lấy ở đúng mức dòng vừa gây dựng.

Phép đo phục hồi ngược cũng dùng chính hai xung đó, nhưng đảo vai: cuộn cảm tải được mắc qua T2 và T1 làm nhiệm vụ nạp dòng; sau khi T1 tắt, diode thân của T2 dẫn, và khi T1 bật lại thì phục hồi ngược của T2 hiện ra.

Vì sao datasheet của nhà sản xuất linh kiện chưa đủ để chốt thiết kế?

Keysight nói khá thẳng về chuyện này trong chính tài liệu của họ. Linh kiện wide-bandgap — SiC và GaN — chuyển mạch nhanh hơn thế hệ cũ từ 10 đến 100 lần. Đi cùng tốc độ đó là ba hệ quả mà người thiết kế phải tự gánh:

• Datasheet đặc tả hẹp. Con số thường chỉ ứng với một nhiệt độ, một mức R_g, một điều kiện — hẹp hơn nhiều so với dải mà ứng dụng thật đi qua.
• Phần lớn là giá trị điển hình, không phải giá trị bảo đảm. Chúng hữu ích để so sánh, nhưng không phải để chốt biên thiết kế.
• Công nghệ chế tạo còn đang chín. Quy trình làm linh kiện wide-bandgap chưa được nghiên cứu kỹ như silicon, nên độ tin cậy vẫn là câu hỏi mở với nhiều người thiết kế.

Kết quả là người thiết kế bộ biến đổi rốt cuộc phải tự đặc trưng hoá lại linh kiện để bổ sung cho thông số nhà sản xuất đưa ra. Đó không phải chuyện thừa việc — đó là điều kiện để tương quan được số đo của mình với datasheet.

Bàn đo tự lắp sai ở chỗ nào?

PD1500A là một hệ đóng gói sẵn, thay cho bàn đo xung kép tự lắp (ảnh minh họa: Techmaster)

Từ trước tới nay, hệ đo xung kép chủ yếu là đồ tự lắp, đơn giản vì thị trường thiếu giải pháp thương mại. Vấn đề của đồ tự lắp không phải là nó không chạy, mà là nó khó cho ra kết quả lặp lại được — và kết quả không lặp lại thì không tương quan được với datasheet, tức là mất luôn cái lý do ban đầu để đo.

Có một con số trong tài liệu Keysight minh hoạ chuyện này rất rõ. Họ đem một loại shunt đồng trục phổ biến đi đo bằng máy phân tích mạng, và thấy băng thông trải từ khoảng 25 MHz đến 300 MHz — giữa các cá thể shunt cùng loại. Với các sườn chuyển áp dưới 10 ns — mức PD1500A ghi trong thông số, phụ thuộc đáp ứng của linh kiện và R_g — khác biệt đó ăn thẳng vào dạng sóng dòng, tức là ăn thẳng vào e(on) và e(off). Mỗi hệ PD1500A vì thế đi kèm một shunt đã đo và bù sẵn: máy áp hàm truyền nghịch đảo của chính con shunt đó để làm phẳng đáp ứng, đạt 400 MHz điển hình.

Cùng loại vấn đề, ở tầng khác: khi tần số và công suất cùng tăng, rất khó phân biệt tín hiệu đo được là đặc tính của linh kiện hay là đặc tính ký sinh của chính bộ đồ đo. PD1500A xử lý bằng những kỹ thuật vốn là chuẩn mực nhưng hay bị bỏ qua trên bàn đo tự lắp: bù đầu dò, chỉnh hệ số khuếch đại và mức lệch, de-skew với sai số 200 ps điển hình, khử nhiễu chế độ chung, và bố trí đồ gá sao cho điện dung và điện cảm ký sinh nhỏ nhất. Thêm vào đó là AutoCal — một quy trình bán tự động dùng chuẩn điện áp nội bộ đã biết để đo và trừ sai số khuếch đại, sai số lệch mức của từng kênh máy hiện sóng.

Nếu bạn đang đo dòng chuyển mạch bằng đầu dò trên máy hiện sóng thay vì shunt, bài chọn đầu dò dòng và kiểm soát sai số nói kỹ hơn về nhóm sai số đó.

Keysight PD1500A trích ra được những tham số nào?

Sáu nhóm tham số động và tiêu chuẩn được dẫn cho từng nhóm (ảnh minh họa: Techmaster)

Sáu nhóm, mỗi nhóm trả lời một câu hỏi thiết kế khác nhau, và tài liệu dẫn tiêu chuẩn cho từng nhóm — IEC 60747-8 cho FET, IEC 60747-9 cho IGBT, JESD 24-10 cho phục hồi ngược và điện tích cực cổng:

• Đặc tính bật — t_d(on), t_r, t_on, e(on), dv/dt, di/dt.
• Đặc tính tắt — t_d(off), t_f, t_off, e(off), dv/dt, di/dt. Trị dv/dt lớn nhất đo được ở đây cũng chính là nguồn phát nhiễu EMI bạn sẽ phải lọc về sau.
• Đặc tính chuyển mạch — I_d, V_ds, V_gs, I_g theo thời gian, cùng quỹ đạo chuyển mạch I_d–V_ds suy ra từ dạng sóng.
• Phục hồi ngược — t_rr, Q_rr, E_rr, I_rr.
• Điện tích cực cổng — Q_g, Q_gs(pl), Q_gd. Lưu ý điều kiện: muốn trích được nhóm này phải giám sát dòng cực cổng, và Keysight khuyến nghị dùng R_g cao, ví dụ từ 100 Ω trở lên, để đường cong đủ mượt.
• Đặc tuyến ra suy ra — I_d theo V_g và I_d theo V_d.

Ngoài ra máy còn trích điện trở dẫn động R_ds(on) — nhưng chỉ khi cấu hình có bo mạch kẹp CB1. Đây là tham số đáng chú ý riêng với GaN, nơi điện trở dẫn ngay sau khi bật thường được ghi nhận cao hơn giá trị tĩnh trong datasheet — nhưng lưu ý phép đo GaN trên PD1500A cần giấy phép PD1030A nói ở phần dưới.

Cấu hình một hệ PD1500A gồm những gì, và giới hạn thật nằm ở đâu?

Nắp an toàn trong suốt tự khoá khi trong hệ có điện áp trên 42 V (ảnh minh họa: Techmaster)

Hệ lõi gồm máy hiện sóng DPT kèm phụ kiện, một đầu dò bảo vệ máy hiện sóng, nguồn cao áp 1,2 kV, máy phát hàm DPT, gói hiệu chuẩn tự động cơ bản, và tủ rack kèm khoang an toàn. Trên nền đó bạn phải chọn thêm: đồ gá (tuỳ chọn SIC), bo DUT theo vỏ linh kiện (247 cho TO-247-3, 24K cho TO-247-4, D2P cho D2PAK7), shunt đồng trục (SH1 10 mΩ hoặc SH2 100 mΩ), một cặp bo lái cổng cao thế và hạ thế theo đúng giá trị R_g muốn dùng, bo kẹp CB1, bộ gia nhiệt H01, và giấy phép phần mềm PD1020A.

Còn đây là những giới hạn cần đọc kèm điều kiện, đúng như tài liệu ghi — bỏ điều kiện đi là đọc sai:

• Hệ đặc trưng hoá được linh kiện rời hạng 650 V, 1,2 kV và 1,7 kV. Nguồn DC lên tới 1200 V, nhưng mạch kẹp giới hạn điện áp tối đa ở 400 V.
• Dòng tối đa 200 A, phụ thuộc điện áp máng/góp, điện cảm tải và điện trở dẫn của chính linh kiện. Dòng tối thiểu là 10 A ở cấu hình chuẩn, xuống 100 mA nếu dùng shunt 100 mΩ.
• Điện áp tối thiểu 50 V ở cấu hình chuẩn; xuống 6 V được nhưng phải sửa cấu hình (cài điện trở 10 kΩ giữa V+ và V–), và hoạt động dưới 50 V không được bảo đảm.
• Bộ gia nhiệt H01 chạy từ nhiệt độ môi trường tới 175 °C — nhưng chỉ với TO-247; D2PAK7 dừng ở 150 °C.
• Bảng thông số DUT liệt kê MOSFET và IGBT, silicon và SiC, ở ba loại vỏ trên. Đo xung kép cho GaN cần giấy phép riêng PD1030A và một cấu hình tuỳ biến, không phải mở hộp là chạy.
• Độ chính xác đo: điện áp 2 % dải, dòng 4 % dải, đều là giá trị điển hình.

Về an toàn — điểm mà bàn đo tự lắp gần như không bao giờ theo kịp — nắp trong suốt tự khoá khi trong hệ có điện áp trên 42 V và không mở được chừng nào điện áp đó còn; mở nắp là ngắt cao áp và xả tụ DC-link; có nút EMO ngắt khẩn cấp; năng lượng tối đa trong hệ 16 J điển hình; đầu ra kẹp bảo vệ máy hiện sóng ở ±15 V điển hình.

Chọn PD1500A hay PD1550A, và khi nào vẫn cần máy đo tĩnh?

PD1500A dành cho linh kiện rời. Nếu đối tượng của bạn là mô-đun công suất, Keysight có PD1550A — hệ phân tích động nâng cao, lên tới 1500 V và 3000 A, dùng đầu dò cách ly True Pulse để đo linh kiện phía cao thế của mô-đun. Nhóm phép thử độ bền (thời gian dẫn khi ngắn mạch, năng lượng ngắn mạch, năng lượng avalanche) được tài liệu ghi là sắp có, và chỉ trên PD1550A — đừng tính nó vào PD1500A.

Còn phép đo tĩnh thì không bị thay thế. Tài liệu của chính Keysight nói rõ B1505A và B1506A là lựa chọn cho phần tĩnh, PD1500A cho phần động; hai bên bổ sung nhau. Nếu bài toán của bạn nằm ở khâu chặn hiệu ứng tự nung khi lấy đặc tuyến, hãy xem đo I-V xung cho linh kiện công suất; nếu là bài toán nhiệt, xem đo nhiệt trở và hiệu ứng tự nung. Ở mức hệ thống, sau khi đã có tổn hao đóng cắt của từng linh kiện, bước tiếp theo thường là đo hiệu suất biến tần.

Lắp đặt ở Việt Nam cần lưu ý gì?

Việt Nam đang hình thành một lớp doanh nghiệp thực sự chạm tới điện tử công suất: linh kiện cho xe điện, biến tần điện mặt trời, nguồn sạc, cùng làn sóng đầu tư đóng gói và kiểm thử bán dẫn — theo tổng quan ngành điện tử Việt Nam 2026 của Vietnam Briefing, chế biến chế tạo tiếp tục là nơi hút phần lớn vốn FDI công nghệ cao. Với nhóm này, ba ràng buộc vật lý đáng đưa vào bản vẽ mặt bằng ngay từ đầu:

• Điều kiện môi trường hẹp hơn nhiều người tưởng: hệ chạy trong khoảng 20–30 °C và 50–70 % RH không ngưng tụ, độ cao tới 2000 m, và cần một giờ khởi động ổn nhiệt. Đây là phòng có điều hoà và kiểm soát ẩm, không phải góc xưởng.
• Chiều cao trần: khoang an toàn cao 151 cm khi đóng nắp nhưng 168 cm khi mở nắp, rộng 92 cm và sâu 87 cm ở trạng thái mở. Toàn hệ nặng 162 kg.
• Nguồn điện: 200–240 V ±10 %, 50/60 Hz, 600 VA — hợp lưới 220 V của Việt Nam, nhưng vẫn nên đi nhánh riêng. Giao tiếp qua LAN 10/100/1000BASE-T.

Khung tiêu chuẩn cũng đang định hình cùng lúc: uỷ ban JEDEC JC-70 về bán dẫn công suất wide-bandgap được lập từ tháng 9/2017, chia thành JC-70.1 cho GaN và JC-70.2 cho SiC, mỗi nhánh có ba nhóm công tác về quy trình độ tin cậy, về thành phần thông số datasheet, và về phương pháp đo kiểm. Keysight tham gia trực tiếp vào quá trình đó — nghĩa là phương pháp đo bạn dựng hôm nay có khả năng khớp với chuẩn được ban hành sau này.

Câu hỏi thường gặp

Đo xung kép khác gì với đo đặc tuyến I-V thông thường?

Đo đặc tuyến I-V lấy số ở trạng thái ổn định, còn đo xung kép lấy số trong lúc linh kiện đang chuyển trạng thái. Toàn bộ nhóm tham số tổn hao đóng cắt — t_r, t_f, e(on), e(off), dv/dt, di/dt — chỉ tồn tại trong vài chục nano giây chuyển tiếp đó, nên phép đo tĩnh về nguyên tắc không thấy được chúng. Hai phép đo bổ sung cho nhau chứ không thay thế nhau.

Vì sao lại là hai xung mà không phải một?

Xung thứ nhất dùng để nạp dòng vào cuộn cảm tải tới đúng mức dòng muốn thử — độ rộng của nó chính là thứ đặt mức dòng đó. Sườn xuống của xung thứ nhất cho đặc tính tắt. Sườn lên của xung thứ hai cho đặc tính bật, ở đúng mức dòng vừa gây dựng. Một xung sẽ không tạo ra được cặp sự kiện tắt–bật ở cùng một mức dòng đã biết.

Keysight PD1500A đo được linh kiện GaN không?

Có, nhưng cần đọc kỹ điều kiện. Bảng thông số DUT liệt kê MOSFET và IGBT bằng silicon và SiC, ở vỏ TO-247-3, TO-247-4 và D2PAK7. Đo xung kép cho GaN cần giấy phép phần mềm riêng PD1030A và một cấu hình tuỳ biến; với GaN hiệu năng cao, mạch lái cổng, mạch kẹp, tụ DC-link và cuộn cảm tải được tích hợp lên một bo mạch duy nhất.

Vì sao khoảng nghỉ giữa hai xung bị giới hạn ở 25 µs?

Vì trong khoảng nghỉ đó, dòng cuộn cảm chạy vòng qua diode thân và tụt dần. Nghỉ càng lâu thì dòng tụt càng nhiều, và tham số trích ở xung thứ hai không còn ứng với mức dòng bạn định thử nữa. Keysight quy định khoảng nghỉ từ 200 ns đến 25 µs, xung thứ nhất điển hình 1–60 µs và xung thứ hai từ 200 ns đến 10 µs.

Cần tư vấn cấu hình đo xung kép cho phòng thí nghiệm của bạn?

Techmaster Electronics là nhà phân phối ủy quyền của Keysight tại Việt Nam. Nếu bạn đang cân nhắc chuyển từ bàn đo xung kép tự lắp sang một hệ đóng gói sẵn, hoặc chưa chắc nên bắt đầu từ phép đo tĩnh hay phép đo động, hãy xem thêm trang sản phẩm PD1500A của Keysight và tài liệu kỹ thuật 5992-3942EN, rồi liên hệ Techmaster để được tư vấn theo đúng vỏ linh kiện, dải điện áp và mức R_g mà bạn đang làm việc. Bạn cũng có thể xem toàn bộ danh mục thiết bị Keysight mà Techmaster phân phối.