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破解SiC,、GaN柵極動態(tài)測試難題的魔法棒 — 光隔離探頭

2022-07-02
來源:Tektronix
關(guān)鍵詞: SiC GaN Crosstalk

  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,SiC,、GaN極快的開關(guān)速度也給工程師帶來了使用和測量的挑戰(zhàn),,稍有不慎就無法獲得正確的波形,從而嚴(yán)重影響到器件評估的準(zhǔn)確,、電路設(shè)計的性能和安全,、項目完成的速度。

  SiC,、GaN動態(tài)特性測量中,,最難的部分就是對半橋電路中上橋臂器件驅(qū)動電壓VGS的測量,,包括兩個部分:開關(guān)過程和Crosstalk。此時是無法使用無源探頭進(jìn)行測量的,,這會導(dǎo)致設(shè)備和人員危險,,同時還會由于跳變的共模電壓而無法獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。通常情況下,,我們會選擇高壓差分探頭來進(jìn)行測量,。

  我們來使用測試界的魔法棒--光隔離探頭,一起破解SiC,、GaN柵極動態(tài)測試難題,。

  高壓差分探頭的不足

  使用高壓差分探頭對上橋臂器件開關(guān)過程VGS進(jìn)行測量,其結(jié)果如下:

  

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  從上邊的VGS波形可以發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果存在以下幾個問題 :

  1.  VGS波形的震蕩比較嚴(yán)重,,震蕩尖峰超過了器件柵極耐壓值,,會對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,,那么測得的震蕩是否測量正確?是器件自身的問題還是電路設(shè)計的有誤,?

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

  使用高壓差分探頭對上橋臂器件 Crosstalk 過程VGS進(jìn)行測量,,其結(jié)果如下:

  

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  從上邊的 VGS 波形可以發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果存在以下幾個問題:

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

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

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

  4. 在負(fù)向Crosstalk過程中,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。

  看到這樣波形會產(chǎn)生以下困惑:

  1. 根據(jù)測量結(jié)果,,正向Crosstalk時應(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,?是器件自身的問題還是電路設(shè)計的有誤,?

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

  測試魔法棒 --- 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測看。

  

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

  

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  從上圖就可以看到,,采用光隔離探頭后的Crosstalk過程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試結(jié)果,就是在用錯誤的波形自尋煩惱,,最終只能是白白浪費(fèi)了時間和精力,,在使用光隔離探頭后所有問題就都迎刃而解了。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,只是會隨著被測信號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)致兩個問題:一是長接線在測量回路中可以看作是電感,會引起被測電流中不存在的震蕩;二是長接線圍成的回路可以看作是一個天線,,會接收器件在開關(guān)過程中快速變化的電流產(chǎn)生的磁場,,導(dǎo)致測量結(jié)果錯誤。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,,可以盡量使得測量接線距離更短,、測量接線圍成的面積更小,從而避免上述問題導(dǎo)致的測量結(jié)果錯誤,。

  

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  3. 高共模范圍低衰減倍數(shù)

  在使用高壓差分探頭時,,為了應(yīng)對SiC、GaN的高母線電壓,,就需要設(shè)置探頭為高衰減比,,而高衰減比就會導(dǎo)致測量量化誤差增大、測量系統(tǒng)噪聲增大,,這就導(dǎo)致使用高壓差分探頭測得的波形顯得很粗,。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,,也可以通過選擇小衰減比的探頭前端來提高測量的精度,,測得的波形顯得更細(xì)。

  

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

  來源:公眾號【功率器件顯微鏡】

  關(guān)于泰克科技

  泰克公司總部位于美國俄勒岡州畢佛頓市,致力提供創(chuàng)新,、精確、操作簡便的測試,、測量和監(jiān)測解決方案,,解決各種問題,釋放洞察力,,推動創(chuàng)新能力,。70多年來,泰克一直走在數(shù)字時代前沿,。





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