SiC,、GaN 作為最新一代功率半導(dǎo)體器件具有遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng) Si 器件的特性，能夠使得功率變換器獲得更高的效率,、更高的功率密度和更低的系統(tǒng)成本,。但同時(shí)，SiC,、GaN極快的開關(guān)速度也給工程師帶來(lái)了使用和測(cè)量的挑戰(zhàn),，稍有不慎就無(wú)法獲得正確的波形，從而嚴(yán)重影響到器件評(píng)估的準(zhǔn)確,、電路設(shè)計(jì)的性能和安全,、項(xiàng)目完成的速度。

　　SiC,、GaN動(dòng)態(tài)特性測(cè)量中,，最難的部分就是對(duì)半橋電路中上橋臂器件驅(qū)動(dòng)電壓VGS的測(cè)量，包括兩個(gè)部分：開關(guān)過(guò)程和Crosstalk,。此時(shí)是無(wú)法使用無(wú)源探頭進(jìn)行測(cè)量的,，這會(huì)導(dǎo)致設(shè)備和人員危險(xiǎn)，同時(shí)還會(huì)由于跳變的共模電壓而無(wú)法獲得準(zhǔn)確的結(jié)果,。通常情況下,，我們會(huì)選擇高壓差分探頭來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

　　我們來(lái)使用測(cè)試界的魔法棒--光隔離探頭,，一起破解SiC,、GaN柵極動(dòng)態(tài)測(cè)試難題。

　　高壓差分探頭的不足

　　使用高壓差分探頭對(duì)上橋臂器件開關(guān)過(guò)程VGS進(jìn)行測(cè)量,，其結(jié)果如下：

　　從上邊的VGS波形可以發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果存在以下幾個(gè)問(wèn)題 :

　　1.  VGS波形的震蕩比較嚴(yán)重,，震蕩尖峰超過(guò)了器件柵極耐壓值，會(huì)對(duì)器件的柵極壽命和安全造成負(fù)面影響,。

　　2.  VGS波形的噪聲很大顯得很粗,。

　　看到這樣波形會(huì)產(chǎn)生以下困惑：

　　1. 這樣的 VGS波形震蕩在電路應(yīng)用中不可接受的，那么測(cè)得的震蕩是否測(cè)量正確,？是器件自身的問(wèn)題還是電路設(shè)計(jì)的有誤,？

　　2.  VGS波形顯得很粗,，是驅(qū)動(dòng)供電電源的輸出紋波過(guò)大導(dǎo)致的么？

　　使用高壓差分探頭對(duì)上橋臂器件 Crosstalk 過(guò)程VGS進(jìn)行測(cè)量,，其結(jié)果如下：

　　從上邊的 VGS 波形可以發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

　　1. 在正向 Crosstalk 過(guò)程中,，VGS波形的正向尖峰顯著超過(guò)了器件的 VGS （th），理應(yīng)造成器件誤導(dǎo)通進(jìn)而導(dǎo)致橋臂短路,，但測(cè)試中并未發(fā)生,。

　　2. 在正向 Crosstalk 過(guò)程中，VGS波形出現(xiàn)了很大的負(fù)向尖峰并且也顯著超過(guò)了器件柵極耐壓值,，這與Crosstalk的原理是不相符的,。

　　3. 在負(fù)向Crosstalk過(guò)程中，VGS波形的負(fù)向尖峰顯著超過(guò)了器件柵極耐壓值,，會(huì)影響器件柵極壽命或?qū)е缕渲苯訐舸?/p>

　　4. 在負(fù)向Crosstalk過(guò)程中,，VGS 波形出現(xiàn)了很大的正向尖峰，這與Crosstalk的原理是不相符的,。

　　5.  VGS波形的噪聲很大顯得很粗,。

　　看到這樣波形會(huì)產(chǎn)生以下困惑：

　　1. 根據(jù)測(cè)量結(jié)果，正向Crosstalk時(shí)應(yīng)該發(fā)生橋臂短路,，但實(shí)際并未發(fā)生,，這是為什么？這樣的結(jié)果是應(yīng)該繼續(xù)改進(jìn)電路設(shè)計(jì)還是能夠被變換器接受,？

　　2. 正向Crosstalk出現(xiàn)了與理論不符的負(fù)向尖峰,，負(fù)向Crosstalk出現(xiàn)了與理論不符的正向尖峰，這是怎么回事,？是器件自身的問(wèn)題還是電路設(shè)計(jì)的有誤,？

　　3. VGS 波形顯得很粗，是驅(qū)動(dòng)供電電源的輸出紋波過(guò)大導(dǎo)致的么,？

　　測(cè)試魔法棒 --- 光隔離探頭

　　我們將上邊的困惑放在一邊,，換一根光隔離探頭測(cè)測(cè)看。

　　從上圖就可以看到,，采用光隔離探頭后的開關(guān)過(guò)程VGS波形的震蕩明顯減輕了,，都在器件柵極耐壓范圍之內(nèi)，同時(shí)波形也變細(xì)了,。

　　從上圖就可以看到,，采用光隔離探頭后的Crosstalk過(guò)程VGS波形的震蕩明顯減輕了，正向和負(fù)向減分也都在可接受范圍之內(nèi),，沒(méi)有出現(xiàn)與理論不相符的情況,。

　　可見如果我們繼續(xù)糾結(jié)之前使用高壓差分探頭的測(cè)試結(jié)果，就是在用錯(cuò)誤的波形自尋煩惱，最終只能是白白浪費(fèi)了時(shí)間和精力,，在使用光隔離探頭后所有問(wèn)題就都迎刃而解了,。那么光隔離探頭究竟是施展了什么魔法呢？

　　1. 高共模抑制比

　　共模抑制比 （CMRR） 是表征探頭不受共模信號(hào)影響的能力,，單位為dB,，數(shù)值越小,，共模抑制能力越強(qiáng),。高壓差分探頭也是具有共模抑制能力的，只是會(huì)隨著被測(cè)信號(hào)頻率的升高急劇下降,。典型的高壓差分探頭在 1MHz下CMRR有 -50dB,， 但到了1GHz下CMRR降低到了-20dB。而 SiC,、GaN極快的開關(guān)速度就導(dǎo) 致共模電壓跳變速度極快,，這就需要探頭在高頻下也具有很高的 CMRR。光隔離探頭能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)具有很高的CMRR,，1MHz下有-160dB,，1GHz下有-90dB。 這就使得光隔離探頭不會(huì)受到高速跳變的共模電壓的影響而產(chǎn)生不存在的波形震蕩,。

　　2. 最小測(cè)量環(huán)路

　　高壓差分探頭的前端是兩根十幾cm的接線,，這將導(dǎo)致兩個(gè)問(wèn)題：一是長(zhǎng)接線在測(cè)量回路中可以看作是電感，會(huì)引起被測(cè)電流中不存在的震蕩,；二是長(zhǎng)接線圍成的回路可以看作是一個(gè)天線,，會(huì)接收器件在開關(guān)過(guò)程中快速變化的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果錯(cuò)誤,。光隔離探頭端部具有一系列可提供高性能和可及性的連接件和附件,，可以盡量使得測(cè)量接線距離更短、測(cè)量接線圍成的面積更小,，從而避免上述問(wèn)題導(dǎo)致的測(cè)量結(jié)果錯(cuò)誤,。

　　3. 高共模范圍低衰減倍數(shù)

　　在使用高壓差分探頭時(shí)，為了應(yīng)對(duì)SiC,、GaN的高母線電壓,，就需要設(shè)置探頭為高衰減比，而高衰減比就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量量化誤差增大,、測(cè)量系統(tǒng)噪聲增大,，這就導(dǎo)致使用高壓差分探頭測(cè)得的波形顯得很粗。而光隔離探頭的共模范圍與衰減比之間是獨(dú)立的,，即在能夠承受高共模電壓時(shí),，也可以通過(guò)選擇小衰減比的探頭前端來(lái)提高測(cè)量的精度，測(cè)得的波形顯得更細(xì)。

　　通過(guò)以上內(nèi)容可以看到光隔離探頭在對(duì)半橋電路中上橋臂器件驅(qū)動(dòng)電壓 VGS的測(cè)量中具有優(yōu)異的表現(xiàn),，其實(shí),，對(duì)于下橋臂器件驅(qū)動(dòng)電壓VGS的測(cè)量也是非常給力的。通過(guò)下圖可以看出,，即使是沒(méi)有快速跳變的共模電壓,，光隔離探頭測(cè)的波形也明顯優(yōu)于高壓差分探頭，真不愧是SiC,、GaN的測(cè)試魔法棒,。

　　來(lái)源：公眾號(hào)【功率器件顯微鏡】

　　關(guān)于泰克科技

　　泰克公司總部位于美國(guó)俄勒岡州畢佛頓市，致力提供創(chuàng)新,、精確,、操作簡(jiǎn)便的測(cè)試、測(cè)量和監(jiān)測(cè)解決方案,，解決各種問(wèn)題,，釋放洞察力，推動(dòng)創(chuàng)新能力,。70多年來(lái),，泰克一直走在數(shù)字時(shí)代前沿。