TF1000D ダブルパルス試験デモ装置

・業界初、高集積のポータブル・ダブルパルステスタ、数値制御高電圧電源とパルス発生器を内蔵
・ハーフブリッジ回路構成の空芯インダクタの接続をソフトウェアで制御可能
・ビジュアルUIによるソフトウェア制御・設定画面
・各種電流・電圧プローブの接続ポートを内蔵
・電流測定用のボルト型同軸シャントを内蔵
・最高パルス電圧700V　最大パルス電流35A
・スイッチング速度は最大500V/15ns
・低漂遊インダクタンスの回路設計により、スイッチング波形のリンギングが小さい

TF1000Dは、高電圧電源、パワーインダクタ、ダブルパルス信号発生器、UI制御インターフェースなどのコア部品一式を統合したポータブル・ダブルパルステスタです。

本装置は電流・電圧プローブ用の簡便な接続端子を備えており、パワー半ブリッジトポロジの測定波形を簡単かつ正確にユーザーのオシロスコープに取り込めます。高速パワーデバイスの動的試験において、CYBERTEKのプローブが持つ優れた性能を十分に示すことができ、エンジニアが周辺の計測器を別途用意する必要はありません。

本装置は、TO-247-3L／TO-247-4LパッケージのSiC MOSFET単体デバイスの動特性をエンジニアが測定・評価するのに役立ちます。主要回路は主回路ループと駆動回路の2つの部分で構成されています。回路全体を低浮遊インダクタンスで設計しているため、MOSFETが高速にオン・オフして500V/15ns（dv/dt最大33KV/us）に達しても、デバイス両端の波形振動を極めて低いレベルに抑えられ、被測定SiC MOSFETデバイスの動的パラメータを正確に測定・算出できます。

TF1000D上部のPCBエリアには、各種電流・電圧プローブの接続端子を集約しています。端子はいずれもプローブの性能を十分に引き出せるよう、精密測定の要件に沿って設計・配置しています。高電圧差動プローブ用には特注の4mmバナナソケットを採用し、波形振動を抑えながら500MHzの高速電圧信号を低歪みで測定・取得できます。高速電流の取得には、CYBERTEKの最新型ボルト型同軸シャントを2個設け、上側・下側MOSFETの高速電流波形をそれぞれ検出します。この新型ボルト型同軸シャントは素手で簡単に取り付け・取り外しでき、抵抗値の異なる同軸シャントにすばやく交換することもできます。

本装置は、前面のビジュアルUIソフトウェア制御画面から、ダブルパルス試験の測定項目（DUTデバイスのスイッチング特性／逆回復特性）ごとのハードウェア回路接続を切り替えられます。ソフトウェアで設定すると、上下アームのドライバ、内部リレー、空芯インダクタの接続位置が同時に構成されます。エンジニアは設定をすばやく正確に切り替えられ、設定ミスを防げます。

TF1000Dの寸法はわずか214×193×123mmで、持ち運びやデモに便利です。

ダブルパルス試験は、パワー半導体デバイスの動的スイッチング性能と指標パラメータを測定・評価する試験方法で、半ブリッジ構造を基にした誘導性負荷スイッチング回路を用います。パワーエレクトロニクスの研究開発エンジニアや試験エンジニアは、ダブルパルス試験で次のスイッチングパラメータを測定します。

ターンオンパラメータ：ターンオン遅延TD(ON)、立ち上がり時間TR、ターンオン損失EON、過渡電圧・電流の変化率dv/dt(ON)およびdi/dt(ON)

ターンオフパラメータ：ターンオフ遅延TD（OFF）、立ち下がり時間TF、ターンオフエネルギーEOFF、過渡電圧・電流の変化率dv/dt（ON）およびdi/dt（OFF）。

逆回復パラメータ：逆回復時間TRR、逆回復電流IRR、逆回復電荷QRR、逆回復エネルギーEREC、ピーク電圧スパイクVRR Peakなど

ダブルパルス試験の方法：半ブリッジトポロジを基に、被測定デバイスはハイサイド（以下、上側）とローサイド（以下、下側）にそれぞれ配置されます。一方のMOSFET/IGBTのゲートに1組（連続する2つ）の駆動パルス信号を与え、試験中はもう一方のMOSFET/IGBTにオフ信号（ゼロまたは負電圧）を与え続けます。この方法は操作が簡単なうえ、MOSFET/IGBTを繰り返しオン・オフさせるためにゲートパルス信号を連続して与える必要がありません。そのため上側・下側のスイッチング損失が継続して発生せず、部品が発熱して測定結果に影響する事態を避けられます。

ダブルパルス試験法では、2つのパルス信号を与えるだけで、指定した電流・電圧条件でのMOSFET/IGBTの動的スイッチング特性パラメータが得られます。ターンオフ時とターンオン時の上側・下側デバイスのVGS、IDS、VDS波形を測定・保存し、解析・評価に用いることができます。最も一般的な試験方法を例に説明すると、完全な半ブリッジ回路において一方のデバイスの動的パラメータをすべて測定するには、2種類の回路接続をそれぞれ構成して試験する必要があります。

下側Q2駆動モード：主回路 空芯インダクタを半ブリッジ回路の中点と電源DC+の間に並列接続／制御方式 Q1はオフ、ダイオード1個と等価；Q2にダブルパルス信号を与えてオン・オフ／測定結果 Q1のボディダイオードの動的パラメータ（逆特性）；Q2の動特性パラメータ（ターンオンとターンオフ）／方式の特徴 Q2は低電位にあり、フローティング測定は不要／適用対象 単体デバイスおよび半ブリッジモジュール

上側Q1駆動モード：主回路 空芯インダクタを半ブリッジ回路の中点とDC-の間に並列接続／制御方式 Q1にダブルパルス信号を与えてオン・オフ；Q2はオフ、ダイオード1個と等価／測定結果 Q1の動特性パラメータ（ターンオンとターンオフ）；Q2のボディダイオードの動的パラメータ（逆特性）／方式の特徴 Q1は高電位にあり、フローティング測定が必須／適用対象 半ブリッジモジュールおよび多相フルブリッジモジュール

下側駆動モードのダブルパルス試験を例に、原理を次のように解析します。

t1-t2（第1パルス期間）：バスバーコンデンサに高電圧がかかり、Q1は常にオフのまま。Q2が導通した後、電流とインダクタ電流がゼロから直線的に増加し、目標電流値に達する／t1時点のIdのスパイク電流は、空芯インダクタLの浮遊容量によるもの

t2-t3（パルス間隔）：Q2はオフになるが、インダクタがあるため電流は急変できず、Q1とインダクタで構成される還流ループに転流し、インダクタ電流はゆっくりとわずかに減少する／t2時点のVdsスパイクは、直流バスの浮遊インダクタンスLsとId電流のdi/dtの積

t3-t4（第2パルス期間）：Q2が再びオンになり、電流は再びQ2に流れ、Q2の電流は引き続き上昇し、インダクタ電流も増加し続ける／t3時点のIdのスパイク電流はQ1ダイオードの逆回復電流／t4時点のVdsスパイクは、直流バスの浮遊インダクタンスLsとId電流のdi/dtの積

TF1000Dダブルパルス試験デモ装置の内部機能モジュールには、1000V高電圧デジタル制御電源、ダブルパルス発生器、高速絶縁駆動モジュール、半ブリッジトポロジを構成するハイサイド・ローサイドのSiC MOSFETデバイス、モード切替可能なインダクタ、広帯域同軸シャントなど、ダブルパルス試験に必要なすべての機能回路と部品が含まれます。すべての制御機能は、外部の3.5インチスマートタッチパネルで設定・実行できます。ソフトウェアで内部リレーを制御して空芯インダクタの接続位置を切り替え、ダブルパルス試験の上側駆動と下側駆動の2種類のモードを構成できます。

本装置の回路基板には、ダブルパルス試験に必要なすべてのプローブの接続端子（ソケット）を集約しており、エンジニアが電流・電圧プローブの性能を検証する用途にも使えます。MOSFETの入力側のVGS、IG波形、出力側のVDS、ID波形などを取得できます。

半ブリッジ上側　VGS1（上側MOSFETの駆動電圧）：4mmバナナソケット（高電圧差動プローブ DPX6150B）、MMCX（光絶縁電圧プローブ OPL6050）

半ブリッジ上側　IG1（上側MOSFETの駆動電流）：MMCX（光絶縁電圧プローブ OPL6050）

半ブリッジ上側　ID1（上側MOSFETのDS電流）：BNC（同軸シャント＋光絶縁電圧プローブ CSD01M20+OPL6050）

半ブリッジ上側　VDS1（上側MOSFETのDS電圧）：4mmバナナソケット（高電圧差動プローブ DPX6150B）、5.08ソケット（光絶縁電圧プローブ OPL6050）

半ブリッジ中点　VSW 半ブリッジ中点（高電圧差動プローブまたは光絶縁電圧プローブのCMRR効果の確認）：MMCX（光絶縁電圧プローブ OPL6050）、4mmバナナソケット（高電圧差動プローブ DPX6150B）、5.08ソケット（光絶縁電圧プローブ OPL6050）

半ブリッジ下側　VGS2（下側MOSFETの駆動電圧）：MMCX（光絶縁電圧プローブ OPL6050）、BNC（パッシブプローブ P6251）、2.54ソケット（低電圧差動プローブ DP6020B）

半ブリッジ下側　IG2（下側MOSFETの駆動電流）：2.54ソケット（低電圧差動プローブ DP6020B）

半ブリッジ下側　ID2（下側MOSFETのDS電流）：BNC（同軸シャント CSD01M20）

半ブリッジ下側　VDS2（下側MOSFETのDS電圧）：4mmバナナソケット（高電圧差動プローブ DPX6150B）、5.08ソケット（光絶縁電圧プローブ OPL6050）

半ブリッジトポロジのローサイドスイッチである下側のS極はオシロスコープと共通接地であるため、被測定デバイスの測定プローブにはフローティングや同相除去比の要件がありません。通常は、シングルエンドのパッシブプローブと低電圧差動プローブで、ドレイン-ソース間電圧VDSとゲート電圧VGSを測定できます。また、広帯域の電流測定が必要な場合は、CYBERTEKのCSDシリーズ高速同軸シャントで対応できます。同軸シャントを使用する場合（50Ωインピーダンス整合器を取り付けた後）は、絶縁せずにオシロスコープの入力端に直接接続できます。このように、下側駆動モードでは、必要な周辺プローブへの要求とコストが低く抑えられます。

1、下側の4つの主要波形（駆動波形VGS2、駆動電流IG2、ドレイン電流ID2、ドレイン-ソース間電圧VDS2）を測定します。ドレイン電流ID2の測定にはCYBERTEK製の高帯域同軸シャントを使用しています。表示される波形は理想的にクリーンで、ダブルパルス試験でのEonとEoffの正確な算出に非常に有利です。

駆動電流IG2は、CYBERTEK製の低電圧差動プローブで5Ωの駆動抵抗の両端電圧を測定して求めています。

CH1：VGS2（10:1パッシブプローブ P6501）、CH2：IG2（低電圧差動プローブ DP6020B）、CH3：ID2（同軸シャント CSD01M20）、CH4：VDS2（高電圧差動プローブ DP6150）

2. 3種類のプローブで測定したVGS駆動波形は一致しており、測定結果の正確さを相互に裏付けています。

CH1：VGS2（10:1パッシブシングルエンドプローブ P6501）、CH2：VGS2（低電圧差動プローブ DP6020B）、CH3：VGS2（光絶縁電圧プローブ OPL6050）

3. 高電圧差動プローブと光絶縁電圧プローブで測定したVDS波形は一致しており、測定結果の正確さを相互に裏付けています。

CH1：VDS（光絶縁電圧プローブ OPL6050）立ち上がり時間14.5ns、立ち下がり時間21.4ns／CH2：VDS（高電圧差動プローブ DP6150）立ち上がり時間14.3ns、立ち下がり時間20.2ns

半ブリッジトポロジのハイサイドのスイッチングデバイスは高電圧のフローティング状態にあるため、プローブには一定のコモンモード高電圧に耐え、高い同相除去比（CMRR）を得ることが求められます。CYBERTEKのOPLおよびOPBシリーズ光絶縁電圧プローブは60kVのコモンモード電圧に耐え、非常に高い同相除去比を持つため、上側デバイスのゲート入力側のVGS、IG波形と、出力側のVDS、ID（同軸シャントと組み合わせ）波形の測定に非常に適しています。本装置のハイサイドとローサイドのデバイスはいずれもSiC MOSFETスイッチングデバイスと対応する高速ゲートドライバICを使用しているため、中点（AC）の電圧の立ち上がり／立ち下がりのスイング時間は極めて短く、それぞれ500V/15ns、33kV/usに達します。この試験環境は、プローブのコモンモード除去性能にとって厳しい条件です。

1、立ち上がり／立ち下がりの速い（500V/15ns）コモンモード干渉条件下で、上側のVGS電圧を1台の光絶縁電圧プローブで、ID電流をもう1台の光絶縁電圧プローブ＋同軸シャントで測定した実測波形を示しています。波形から、2つの波形は高周波コモンモード干渉の影響を受けておらず、先に測定した下側のVGS、ID波形と完全に一致していることがわかります。この結果は、CYBERTEKの光絶縁電圧プローブが優れた同相除去比を持つことを裏付けています。

CH1：VGS1（光絶縁電圧プローブ OPL6050）、CH2：ID1（同軸シャント＋光絶縁電圧プローブ CSD01M20+OPL6050）、CH3：VDS1（高電圧差動プローブ DP6150）

2、立ち上がり／立ち下がりの速い（500V/15ns）コモンモード干渉条件下で、上側のVGS電圧を1台の光絶縁電圧プローブで、IG電流（駆動チップの出力抵抗Ron-5Ωの両端電圧）をもう1台の光絶縁電圧プローブで測定した波形を示しています。実測により、2つの波形は高周波コモンモード干渉の影響を受けておらず、先に測定した下側のVGS、IG波形と完全に一致していることがわかります。この結果は、CYBERTEKの光絶縁電圧プローブが優れた同相除去比を持つことを裏付けています。

CH1：VGS1（光絶縁電圧プローブ OPL6050）、CH2：IG1（光絶縁電圧プローブ OPL6050）、CH3：VDS1（高電圧差動プローブ DP6150）

3、立ち上がり／立ち下がりの速い（500V/15ns）コモンモード干渉条件下で、上側のVGS電圧を測定した波形を示しています。CYBERTEKの高電圧差動プローブの測定結果は光絶縁電圧プローブの波形よりやや劣るものの、市販の同等の競合プローブよりはるかに優れています。この結果は、CYBERTEKの差動プローブの同相除去比が比較的優れており、低コストなフローティングVGS測定ソリューションであることを裏付けています。

CH1：VGS1（光絶縁電圧プローブ OPL6050）、CH2：VGS1（高電圧差動プローブ DP6150）

立ち上がりエッジの波形はほぼ同じで、立ち下がりエッジでは差動プローブの波形に若干の振動が見られます。

4、CYBERTEKの光絶縁電圧プローブと高電圧差動プローブで上側を測定しました。立ち上がり／立ち下がりの速い（500V/15ns）コモンモード干渉条件下で、2つのプローブの波形は完全に一致しています。これにより、CYBERTEKの差動プローブの同相除去比が比較的優れており、低コストで採用できるフローティングVDS電圧の測定ソリューションでもあることが改めて裏付けられています。

CH1：Vds1（光絶縁電圧プローブ OPL6050）、CH2：Vds1（高電圧差動プローブ DP6150）