在构建硬件之前，在仿真环境中运行双脉冲测试

主要收获

• • 在硬件通电之前，仿真应定义双脉冲测试条件。

  • 要获得可靠的开关损耗结果，必须对换相回路和脉冲时序进行显式建模。

  • 当模型已经能够解释预期波形行为时，台架验证能提供更准确的答案。

先在仿真环境中进行双脉冲测试，可以节省器件、时间，并避免在实验台上出现错误启动的情况。

在探针、测试夹具和布局噪声成为影响因素之前，先研究开关能量、过冲和电流斜率，会更容易得出可靠的结论。2024年电动汽车销量突破 1700万，这给各设计团队在转换器效率和半导体损耗测量方面带来了持续压力。这种压力在最终硬件问世之前很久就已经显现。一个纯净的仿真模型可让您在计划投入生产的栅极、总线和负载条件下，对所需的开关事件进行测试。

台架双脉冲测试依然重要，但其最佳用途是作为确认手段。当电流目标、死区时间、寄生电感以及测量窗口都已确定时，您能更有效地利用实验室时间。这种流程能避免不必要的失败，并从一开始就为您提供更准确的导通和关断能量估算。先进行建模的团队在进入硬件阶段时，问题范围已缩小至布局、封装和测量精度等方面。

双脉冲测试可分离出一个开关过渡

双脉冲测试可在受控的电流和电压条件下，将单次开关事件单独分离出来。第一个脉冲建立所需的电流，第二个脉冲则迫使器件完成一次导通或关断过渡。正因如此，该方法已成为开关损耗表征的标准方法。

半桥电路的示例可以清楚地说明这一点。您设定总线电压，在电流路径中接入一个感性负载，并使用两个间隔为死区的栅极指令。第一个指令将电流线性升至选定的值（例如 100 A）。第二个指令则捕捉关键的换相事件，而不是将其埋没在连续脉冲宽度调制中。

最终得到的波形能够解答实际问题。你可以观察到电压过冲的幅度、电流斜率的陡峭程度，以及电压与电流重叠的时间长度。许多团队将该名称简称为DPT，有些仍称之为DPT测试，但工作内容保持不变。你需要将某个事件单独分离出来，这样所测得的能量才有实际意义。

在实机硬件投入使用前，通过仿真进行测试准备

双脉冲测试仿真将实验台方案转化为一个物理问题，让你在通电之前就能对其进行检查。首先，你需要选择总线电压、环路电感、栅极电阻和脉冲宽度。这为你提供了一个稳定的起点，同时也揭示了实验台设置中可能存在薄弱环节的地方。

一个简单的仿真设置通常与后续的实际电路布局相一致。您需要放置一个开关器件、其自由轮路径、直流母线电容器、感性负载以及栅极控制序列。在800 V母线上连接一个650 V器件并接入200 µH负载，即可验证您的脉冲宽度是否能达到目标电流，以及死区时间是否能避免脉冲重叠。

• 带有本地耦合电容的直流电源决定了母线刚度。
• 具有输出电容的开关器件模型决定了过渡波形。
• 感应电流路径会在第二个脉冲之前设定电流上升斜率。
• 一个具有脉冲定时功能的门网络确定了换相顺序。
• 寄生电阻和电感导致的过冲和振铃

这一步至关重要，因为一旦开始凭猜测进行实验，实验台上的工作成本就会大幅增加。一个在理论上看似无害的脉冲，可能会导致电流过载，或使测试系统产生虚假振铃。在模型中先解决这些问题，能让首次硬件测试环节保持专注。这样一来，你就无需再依靠实验台来摸索测试的基础知识了。

换向环路模型决定了波形的可信度

换相环路模型决定了模拟波形是否值得信赖。杂散电感和电阻会影响过渡过程中的过冲、振铃以及电流斜率。输出电容和二极管恢复特性同样重要。 

“一个忽略这些项的模型会给出整洁的波形，但损失值却是错误的。”

一个简单的数值示例可以说明原因。当环路电感为 20 nH、电流斜率为 2.5 kA/µs 时，会产生约 50 V 的额外过冲。SPS SOFTWARE 将这些寄生参数作为显式模型元素呈现出来，因此您可以调整它们，并观察波形的哪个部分随之发生变化。这比将开关支路视为一个封闭的黑匣子要实用得多。

要获得价值，并不需要完美的信号包提取。你需要一个足够详细的模型，能够再现那些影响能量和应力的波形特征。振铃频率、峰值电压、电流尾部以及二极管恢复尖峰，是首先值得匹配的特征。一旦这些特征接近实际，该模型就开始像一个预测试滤波器一样，筛除错误的假设。

第一个脉冲设定目标电流

第一个脉冲的作用是在被测过渡发生之前，将电感电流预先加载到一个已知水平。其宽度由总线电压和负载电感决定。这使得目标电流可预测。只有通过精确设定目标电流，第二个脉冲才能成为有意义的开关损耗测试。

根据当前的电流上升率关系，可以得出一个简单的估算值。当200 µH电感两端施加400 V电压时，电流以约2 A/µs的速率上升，因此如果电阻压降很小，则50 µs的第一个脉冲峰值电流将接近100 A。该估算值可作为在优化模型前的初始脉冲宽度参考。随后，您可以调整脉冲宽度，直到电流稳定在确切的测试点上。

如果这个脉冲设置不当，后续的所有结果都会出现偏差。如果电流目标值设定过低，会导致导通能量被低估；如果脉冲时间过长，则会使器件发热，并使结果偏离你原本想要研究的条件。通过仿真，你可以在硬件实际通电之前就优化好这个初始脉冲。

第二个脉冲捕获了开关事件

第二个脉冲在电流已经流过之后，产生了您所关注的过渡状态。其时序决定了在受压情况下哪个器件导通或关断。死区时间则确定了导通的起始路径。正是这一序列，使得双脉冲测试在研究开关损耗方面具有实用价值。

一种常见的情况是利用第一个脉冲在低侧器件路径中建立电流。随后，死区时间将该电流转移到对向二极管或体路径中。当第二个脉冲再次命令低侧器件导通时，即可捕获在二极管恢复、输出电容放电和环路电感同时存在下的导通过程。若采用不同的时序设置，则可使第二个脉冲在相同的电流水平下捕获关断过程。

您不仅仅是在寻找一条干净的栅极波形。您还要验证第二个脉冲之前的导通路径是否与您打算测量的事件相符。如果导通了错误的路径，您的波形虽然看起来依然繁杂，但提取出的能量将描述一个不同的过渡过程。严格的时序控制是确保测试结果准确的关键。

测得的波形揭示了换相期间的开关应力

在双脉冲测试中，关键的波形包括器件电压、器件电流以及换相间隔期间的栅极信号。这些波形能够显示能量损耗的位置以及电应力达到峰值的位置，还能揭示模型中是否遗漏了寄生参数。对波形的准确解读比单纯平滑的曲线图更有价值。

上升电流突变伴随电压下降延迟，通常表明存在二极管恢复电流或额外的环路电感。过渡后出现数个振铃周期，往往意味着模型中的总线环路与输出电容匹配不良。超过 80%以上的电能 至少流经电力电子设备一次，因此微小的波形误差在大型车队中可能会导致效率估算严重失准。正因如此，波形分析不仅是一项实验室技能，更是一种设计过滤器。

这些线索能让你在连接任何探针之前就对模型进行修正。它们还能告诉你后续在实验台上需要注意哪些方面。如果仿真结果显示对几纳亨的电感存在较高的过冲敏感性，你就知道布局和探针连接需要格外谨慎。这种准备工作缩短了从波形捕获到得出有价值的工程判断之间的过程。

独立的整合为每次切换赋予了能量价值

导通能量和关断能量分别来自对每次事件中器件电压与器件电流的分别积分。积分窗口必须覆盖重叠区间，并在后续振铃现象主导结果之前停止。这样可以确保每个能量值都与一次状态转换相关联。积分窗口的准确性与图表的清晰度同样重要。

实际的分析窗口始于器件电压开始变化之前，止于电流和电压已稳定到仅剩低能量振铃的时刻。在导通情况下，该窗口可能在电流上升前20 ns开启，并在主电压骤降后关闭。在关断情况下，由于电流尾波和电压过冲发生的顺序不同，因此会使用不同的分析窗口。您应分别计算每个事件，而不是先求平均值，之后再进行分析。

这正是仿真大显身手之处。您可以检查时间限制，比较多个电流点处的功耗，并观察栅极电阻如何影响结果。如果栅极参数仅发生微小变化，导通损耗却急剧上升，那么在硬件开发耗费大量时间之前，您就已经发现了这一敏感的设计变量。 

“当‘基准测试’旨在回答几个简短的问题，而不是从头开始定义整个测试时，其效果最佳。”

当仿真结果与预期行为一致后，便开始进行台架验证

只有在模拟双脉冲测试能够再现您对器件和封装所预期的开关行为后，才应开始台架验证。这意味着目标电流、过冲趋势、振铃频率和能量窗口等参数已经合理。台架测试最有效的方式是用来解答一份简短的问题清单，而不是从头开始定义整个测试流程。 

规范的工作流程很简单。您只需将模型与目标拓扑结构匹配，调整寄生参数直至波形形状看起来合理，然后在探针位置和电流目标已设定好的情况下转入硬件阶段。SPS SOFTWARE完全符合这一工作流程，因为开关过渡过程保持了足够的透明度，使您能够检查每个模型元素的工作状态。其价值在于，您能够带着自己完全理解的测试方案直接进入测试台。

这才是值得采纳的判断。双脉冲测试虽然应在实验室进行，但不应仅限于此。通过仿真，原本风险较高的首次实验可以转变为一个有针对性的验证步骤。这样既能减少设备损坏，又可节省数周时间来修复本可避免的设置错误，还能获得更具参考价值的通电和断电数据。