現代寬禁帶功率器件(SiC, GaN)上(shang)的(de)開(kai)關(guan)晶(jing)體(ti)管(guan)速(su)度(du)越(yue)來(lai)越(yue)快(kuai)，使(shi)得(de)測(ce)量(liang)和(he)表(biao)征(zheng)成(cheng)為(wei)相(xiang)當(dang)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)，在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)幾(ji)乎(hu)不(bu)可(ke)能(neng)實(shi)現(xian)。隔(ge)離(li)探(tan)測(ce)技(ji)術(shu)的(de)出(chu)現(xian)改(gai)變(bian)了(le)這(zhe)種(zhong)局(ju)麵(mian)，通(tong)過(guo)這(zhe)一(yi)技(ji)術(shu)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)終(zhong)於(yu)能(neng)夠(gou)放(fang)心(xin)地(di)測(ce)量(liang)以(yi)前(qian)回(hui)避(bi)的(de)半(ban)橋(qiao)和(he)門(men)驅(qu)動(dong)器(qi)波(bo)形(xing)。通過詳細了解相關挑戰
，並使用適當的探測技術，電源工程師可以更加迅速、高效地表征和優化其設計。

 

半橋電路(圖1)廣泛用於功率電子領域的多種應用，是現代設計中有效轉換電能使用的基本電路。但是，隻有在半橋
、門men驅qu動dong器qi和he布bu線xian正zheng確que且qie優you化hua設she計ji時shi
，這zhe種zhong電dian路lu的de優you勢shi才cai能neng得de到dao實shi現xian。在zai測ce量liang結jie果guo與yu預yu期qi結jie果guo不bu一yi致zhi時shi，可ke能neng很hen難nan提ti取qu與yu被bei測ce器qi件jian有you關guan的de有you意yi義yi的de細xi節jie。更geng糟zao糕gao的de是shi
，基ji於yu探tan頭tou位wei置zhi和he其qi他ta因yin素su，波bo形xing可ke能neng會hui明ming顯xian變bian化hua，最zui終zhong會hui讓rang設she計ji人ren員yuan得de不bu償chang失shi。

效xiao率lv和he功gong率lv密mi度du要yao求qiu經jing常chang會hui隨sui著zhe應ying用yong設she計ji要yao求qiu變bian化hua，如ru是shi否fou要yao優you化hua性xing能neng價jia格ge比bi。在zai功gong率lv密mi度du中zhong改gai善shan能neng效xiao的de要yao求qiu，決jue定ding著zhe設she計ji的de拓tuo撲pu結jie構gou，進jin而er影ying響xiang著zhe要yao考kao慮lv的de測ce量liang設she備bei和he技ji術shu。表biao1彙總了半橋和門驅動器最重要的指標和測量。

 

表1. 門驅動器和半橋配置最重要的測量。

 

準確進行功率測量離不開測量係統在多個方麵的性能
，包括電壓處理
、共模抑製、連接能力
、溫度處理能力、測(ce)量(liang)非(fei)常(chang)小(xiao)的(de)電(dian)流(liu)的(de)能(neng)力(li)。盡(jin)管(guan)功(gong)率(lv)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)日(ri)新(xin)月(yue)異(yi)，但(dan)測(ce)試(shi)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)的(de)實(shi)際(ji)發(fa)展(zhan)一(yi)直(zhi)有(you)些(xie)滯(zhi)後(hou)。在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)不(bu)得(de)已(yi)開(kai)發(fa)定(ding)製(zhi)測(ce)量(liang)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)
，或(huo)隻(zhi)能(neng)近(jin)似(si)獲(huo)得(de)部(bu)分(fen)測(ce)量(liang)，忽(hu)視(shi)可(ke)能(neng)的(de)優(you)化(hua)。

 

在最基礎的層次上
，這些測量使用示波器及(ji)一(yi)套(tao)相(xiang)應(ying)的(de)探(tan)頭(tou)執(zhi)行(xing)。在(zai)進(jin)行(xing)準(zhun)確(que)可(ke)靠(kao)的(de)功(gong)率(lv)測(ce)量(liang)方(fang)麵(mian)
，示(shi)波(bo)器(qi)幾(ji)乎(hu)不(bu)成(cheng)問(wen)題(ti)。而(er)最(zui)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)從(cong)測(ce)試(shi)點(dian)到(dao)示(shi)波(bo)器(qi)獲(huo)得(de)信(xin)號(hao)。因(yin)此(ci)，選(xuan)擇(ze)適(shi)當(dang)的(de)探(tan)頭(tou)完(wan)成(cheng)工(gong)作(zuo)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)
，不(bu)管(guan)是(shi)無(wu)源(yuan)探(tan)頭(tou)還(hai)是(shi)單(dan)端(duan)探(tan)頭(tou)，是(shi)傳(chuan)統(tong)高(gao)壓(ya)差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)、電流探頭還是隔離探頭。

 

單端探頭 – 低壓側測量

 

大da多duo數shu示shi波bo器qi都dou會hui配pei有you一yi套tao無wu源yuan或huo單dan端duan探tan頭tou。這zhe些xie探tan頭tou隻zhi能neng準zhun確que地di測ce量liang以yi示shi波bo器qi地di電dian平ping為wei參can考kao的de信xin號hao

，且qie限xian於yu進jin行xing低di壓ya側ce測ce量liang。通tong過guo隔ge離li示shi波bo器qi，或huo使shi用yong一yi對dui探tan頭tou進jin行xing偽wei差cha分fen測ce量liang（參見後麵的討論），您可以使用無源探頭執行高壓側測量
，但一般不推薦采用這種方法。

 

在zai考kao慮lv某mou項xiang測ce量liang任ren務wu需xu要yao多duo高gao的de探tan頭tou性xing能neng時shi，人ren們men一yi般ban會hui把ba重zhong點dian放fang在zai帶dai寬kuan上shang。傳chuan統tong思si維wei認ren為wei，帶dai寬kuan越yue高gao
，性xing能neng就jiu越yue高gao。的de確que
，帶dai寬kuan是shi一yi個ge重zhong要yao指zhi標biao
，它ta決jue定ding了le可ke以yi測ce量liang正zheng弦xian波bo峰feng峰feng值zhi幅fu度du的de最zui高gao頻pin率lv。但dan實shi際ji上shang
，您nin並bing不bu是shi在zai頻pin域yu中zhong測ce量liang正zheng弦xian波bo
，而er是shi要yao顯xian示shi和he測ce量liang信xin號hao隨sui時shi間jian變bian化hua，也ye就jiu是shi在zai時shi域yu中zhong測ce量liang信xin號hao。

 

因(yin)此(ci)，半(ban)橋(qiao)和(he)門(men)驅(qu)動(dong)器(qi)測(ce)量(liang)中(zhong)最(zui)應(ying)關(guan)注(zhu)的(de)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)是(shi)上(shang)升(sheng)時(shi)間(jian)。上(shang)升(sheng)時(shi)間(jian)可(ke)以(yi)從(cong)帶(dai)寬(kuan)中(zhong)計(ji)算(suan)得(de)出(chu)，但(dan)如(ru)果(guo)想(xiang)可(ke)靠(kao)地(di)了(le)解(jie)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)的(de)上(shang)升(sheng)時(shi)間(jian)和(he)全(quan)部(bu)時(shi)間(jian)響(xiang)應(ying)，唯(wei)一(yi)的(de)方(fang)式(shi)是(shi)使(shi)用(yong)階(jie)躍(yue)信(xin)號(hao)來(lai)實(shi)際(ji)測(ce)量(liang)上(shang)升(sheng)時(shi)間(jian)，這(zhe)個(ge)階(jie)躍(yue)信(xin)號(hao)要(yao)遠(yuan)遠(yuan)快(kuai)於(yu)您(nin)測(ce)量(liang)的(de)信(xin)號(hao)。

 

測量係統如果上升時間性能不足
，那麼就會出現階躍響應畸變
，如圖2所示
，包括非線性度
、變(bian)圓(yuan)和(he)頂(ding)降(jiang)。可(ke)能(neng)很(hen)難(nan)確(que)認(ren)這(zhe)些(xie)畸(ji)變(bian)是(shi)實(shi)際(ji)來(lai)自(zi)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)還(hai)是(shi)來(lai)自(zi)被(bei)測(ce)器(qi)件(jian)，隻(zhi)有(you)通(tong)過(guo)表(biao)征(zheng)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)才(cai)能(neng)找(zhao)到(dao)真(zhen)正(zheng)答(da)案(an)。為(wei)避(bi)免(mian)這(zhe)些(xie)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)
，選(xuan)擇(ze)的(de)探(tan)頭(tou)的(de)上(shang)升(sheng)時(shi)間(jian)一(yi)定(ding)要(yao)快(kuai)於(yu)被(bei)測(ce)器(qi)件(jian)的(de)上(shang)升(sheng)時(shi)間(jian)。

 

圖2. 在功率器件測量精度中，上升時間指標要比帶寬指標更重要。

 

圖3顯示了快速探頭的意義，其中使用1 GHz無源探頭測量高速FET驅動器的低壓側
，該驅動器的產品資料中顯示上升時間< 1 ns。由於這隻探頭的上升時間指標在450 ps左右
，所以我們能夠測量略高於500 ps的上升時間。如果進行這一測量時使用的探頭上升時間較慢
，比如500 MHz探頭

，那麼波形前麵拐角處的高頻成分會變圓。

 

圖3. 由於450 ps上升時間指標，1 GHz泰克TPP1000無源探頭能夠準確地測量高速FET。

 

測量門驅動器電流

 

zaiceliangmenqudongqidianliushi，xuduoshejirenyuanshiyongwaijiadianliufenliuqi，erbushidianliutantou，yuanyinhenjiandan，yinweishiyongdianliutantoucelianghuanludedianganhuiyingxiangdianlu。tongchanglaishuo
，shejizhongzaimenqudongqihemenzhijianhuiyijingchuanlianleyigedianzuqi。weishicharuzukangdadaozuixiao，dianliufenliuqidezuzhihuibaochidefeichangdi
，suoyijingguodianliufenliuqidedianyaxiadieyehuifeichangdi。tongguoxiancedejingguodianliufenliuqidedianyaxiadiezhi，ranhouzaichuyidianzuqideyizhidianzu
，keyidechudianliu。

 

badianliufenliuqilianjiedaodiyaceshang，tongchangyiweizheyigeduanzijiedi。fangzaidiyaceyufangzaigaoyacedezhuyaochayi
，shifangzaidiyacehuijiangdihuoyouxiaoxiaochugongmodianya，gongmodianyahuizaidianliufenliuqiderenyiyicetongshitongxiangchuxian。yinci
，yibantuijianzaidiyacefangzhidianliufenliuqi，tebieshizaigaoyaqingkuangxia。zaigaoliuyingyongzhong
，jiedidantiaohuixianshiweigongmoxinhao。

 

隔離示波器

 

打破接地環路的技術之一，是“隔離示波器”或huo隔ge離li被bei測ce電dian路lu。浮fu地di會hui打da破po與yu接jie地di的de連lian接jie，在zai理li論lun上shang可ke以yi在zai兩liang個ge測ce試shi點dian之zhi間jian進jin行xing差cha分fen測ce量liang，因yin為wei示shi波bo器qi接jie地di已yi經jing被bei破po壞huai。這zhe種zhong方fang法fa本ben身shen就jiu是shi危wei險xian的de，因yin為wei它ta破po壞huai了le觸chu電dian保bao護hu，還hai可ke能neng會hui損sun壞huai測ce量liang設she備bei。

 

浮fu動dong測ce試shi可ke能neng適shi用yong於yu某mou些xie測ce量liang
，特te別bie是shi在zai非fei常chang低di的de頻pin率lv上shang，但dan要yao注zhu意yi如ru果guo沒mei有you低di阻zu抗kang接jie地di連lian接jie，來lai自zi示shi波bo器qi的de放fang射she輻fu射she和he傳chuan導dao輻fu射she可ke能neng會hui以yi噪zao聲sheng形xing式shi幹gan擾rao測ce量liang。另ling外wai注zhu意yi
，在zai較jiao高gao頻pin率lv中zhong斷duan接jie地di時shi，可ke能neng並bing不bu會hui中zhong斷duan接jie地di環huan路lu，因yin為wei“浮動”電路會一直通過大的寄生電容保持耦合接地，從而導致振鈴和波形失真。圖4顯示了高壓側門驅動器上的浮動測量。振鈴和失真很明顯，出現了高達28 V過衝。

 

圖4.在這個高壓側門驅動器浮動測量中，明顯有振鈴、失真和28 V過衝。

 

也可以使用偽差分測量（而不是無源探頭），可ke能neng滿man足zu某mou些xie低di頻pin信xin號hao測ce量liang。通tong過guo進jin行xing兩liang個ge地di電dian平ping參can考kao的de信xin號hao測ce量liang
，使shi用yong示shi波bo器qi對dui兩liang條tiao示shi波bo器qi通tong道dao進jin行xing減jian法fa運yun算suan，可ke以yi完wan成cheng測ce量liang。在zai圖tu5中，示波器從CH1的波形中減去CH2的波形
，得到紅色波形。兩個輸入必須設置成相同的標度，探頭必須一模一樣且緊密匹配。這種技術中的共模抑製比(CMRR)很差，如圖5所示，特別是在更高頻率下，可能會超過示波器輸入範圍。CMRR是指示波器在進行差分測試時抑製兩個測試點的共模電壓的能力。

 

圖5. 偽差分測量性能有限
，但對擁有低共模信號的超低頻信號測量足夠了。

 

差分探頭

 

對大多數GaN和SiCyingyong，chafentantoushizhunquejinxingdiyacecelianghemouxiegaoyaceceliangdehenhaoxuanze。danduixingnenggenggaodeqijianlaishuo
，zuikenengdeqingkuangshichuantonggaoyachafentantoubingbushizuijiaxuanze，yinweiqizaigenggaodepinlvxiagongmoyizhinenglibuzu。zaizhixinggaoyacedianyaceliangshi，zhechengweiyigemingxiandewenti
，yinweiyaozaikuaisukaiguantiaobianguochengzhong，zaicunzaidadegongmodianyadeqingkuangxiaceliangxiaodechafendianya。

 

一(yi)個(ge)常(chang)見(jian)的(de)誤(wu)解(jie)是(shi)差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)是(shi)浮(fu)動(dong)的(de)。其(qi)實(shi)，傳(chuan)統(tong)差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)基(ji)於(yu)差(cha)分(fen)放(fang)大(da)器(qi)

，差(cha)分(fen)放(fang)大(da)器(qi)則(ze)連(lian)接(jie)到(dao)接(jie)地(di)上(shang)。遺(yi)憾(han)的(de)是(shi)，這(zhe)種(zhong)連(lian)接(jie)限(xian)製(zhi)了(le)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)

，導(dao)致(zhi)頻(pin)率(lv)額(e)定(ding)值(zhi)下(xia)降(jiang)，產(chan)生(sheng)接(jie)地(di)彈(dan)跳(tiao)
，在(zai)帶(dai)寬(kuan)超(chao)過(guo)一(yi)定(ding)MHz時會限製共模抑製比。

 

在測試通電的GaN或SiC器件時，這些局限性尤其明顯

，因為這些器件擁有超快速開關速率，甚至有標稱的共模電壓。例如，100 MHz帶寬差分探頭在DC時提供了-70 dB CMRR，在1 MHz時提供了-50 dB CMRR，而在100 MHz時則下降到-27 dB CMRR，大約是22 : 1。

 

探頭產品技術資料中很難看到這麼差的指標，因為額定值隨頻率下降不可能成為廠家推廣的指標。您需要翻查用戶手冊，才會找到像圖6這樣的示圖
，但我們很容易就能計算出CMRR較差的影響。例如，對600 V共模電壓，得到的誤差是27 V (600除以22)。這種表現很紮眼
，因為在存在600 V共模電壓時，使用誤差這麼大的探頭是不可能準確測量高頻15 V差分信號的。

 

圖6. 100 MHz帶寬差分探頭在頻率提高時CMRR額定值下降到-27 dB。

 

在計算共模抑製時，另一個考慮因素是探頭和DUT之間的連接。大多數共模抑製指標隻包括探頭
，沒有考慮額外的連接選項，如大的掛勾夾。

 

youyuquefazugoudetancepeijian，xuduodianyuanshejirenyuanqiuzhuyumouxietidaijishulaizhixinggaoyaceqijianceliang
，ruxianceliangdiyace，shiyongquanmianfangzhentuidaogaoyacejieguo，kaochafaredetedian
、EMI接近式探測

，如果這些方法都行不通，那麼就隻能試錯了。

 

高性能隔離探頭

 

SiC和GaN 功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)擁(yong)有(you)超(chao)快(kuai)速(su)開(kai)關(guan)速(su)率(lv)和(he)高(gao)標(biao)稱(cheng)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)，在(zai)測(ce)試(shi)這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)時(shi)

，單(dan)端(duan)探(tan)頭(tou)和(he)差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)的(de)局(ju)限(xian)性(xing)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)明(ming)顯(xian)。由(you)於(yu)這(zhe)些(xie)信(xin)號(hao)捕(bu)獲(huo)問(wen)題(ti)源(yuan)於(yu)接(jie)地(di)需(xu)求(qiu)，因(yin)此(ci)可(ke)行(xing)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)所(suo)采(cai)用(yong)的(de)探(tan)頭(tou)技(ji)術(shu)不(bu)能(neng)依(yi)賴(lai)於(yu)接(jie)地(di)
，從(cong)而(er)或(huo)多(duo)或(huo)少(shao)地(di)不(bu)受(shou)共(gong)模(mo)電(dian)壓(ya)的(de)影(ying)響(xiang)。這(zhe)種(zhong)隔(ge)離(li)探(tan)頭(tou)完(wan)全(quan)通(tong)過(guo)光(guang)纖(xian)運(yun)行(xing)，提(ti)供(gong)了(le)大(da)量(liang)的(de)優(you)勢(shi)，包(bao)括(kuo)高(gao)達(da)1 GHz的帶寬、大的差分電壓範圍、在所有頻率中提供了完美的共模抑製能力。

 

在執行高壓側VGS測量時，工程師需要查看足夠的波形細節，來確認仿真
，評估信號特點，如與圖7中表示的理想狀態相比產生的振鈴。高壓側VGS打開
，第一個區域表示CGS門源充電時間，後麵是米勒平台。在通道進行傳導後

，門將充電到最終值。

 

圖7. 這是高壓側VGS理想狀態的示意圖。

 

圖8比較了使用傳統高壓差分探頭與使用高性能隔離探頭進行高壓側VGS測量，明顯可以看出
，在傳統探頭提供的測量基礎上
，很難提取有意義的信息
，製訂設計決策。

 

圖8. 隔離高壓差分探頭提供了優化器件性能所需的信心。

 

相比之下
，隔離高壓測量係統為測量
、表biao征zheng和he優you化hua設she計ji性xing能neng提ti供gong了le所suo需xu的de分fen辨bian率lv和he可ke重zhong複fu性xing。可ke以yi明ming顯xian看kan出chu米mi勒le平ping台tai及ji開kai關guan到dao節jie點dian轉zhuan換huan的de關guan聯lian。這zhe個ge波bo形xing清qing楚chu地di顯xian示shi了le以yi前qian隱yin藏zang的de諧xie振zhen和he信xin號hao細xi節jie，從cong而er為wei優you化hua性xing能neng、開發設計而又不會過於保守提供了所需的信心。

 

高壓側
，低壓側交互

 

對容差緊張的GaN器件，開關節點中低壓側開關與高壓側門極之間的寄生耦合，是診斷起來比較困難的問題之一。圖9xianshilelaizigaoyacedeguochonghuozhenlingchuandidaodiyacedeqingkuang。ruguobunengzhixingzhunquedegaoyaceceliang，zhezhongqingkuangshiwucongzhixiaode，qihuichanshengdaliangdewenti
，zhishaohuidaozhikaiguanhexiaolvsunhaoheliehua，zuihuaiqingkuangshidiyacehegaoyacekaiguantongshidakaidaozhizainanxingdeguzhang。

 

圖9. 能夠查看實際波形，使得診斷和解決開關節點之間的寄生耦合等問題成為可能。

 

小結

 

可ke以yi肯ken定ding地di說shuo，半ban橋qiao和he門men驅qu動dong器qi測ce量liang麵mian臨lin著zhe諸zhu多duo挑tiao戰zhan，必bi須xu克ke服fu這zhe些xie挑tiao戰zhan，才cai能neng全quan麵mian利li用yong最zui新xin寬kuan禁jin帶dai器qi件jian的de優you勢shi。這zhe要yao求qiu正zheng確que的de測ce量liang技ji術shu和he強qiang大da的de測ce量liang解jie決jue方fang案an。通tong常chang來lai說shuo，問wen題ti的de根gen源yuan不bu在zai於yu示shi波bo器qi
，而er在zai於yu探tan頭tou的de選xuan擇ze上shang。高gao壓ya側ce門men測ce量liang尤you其qi困kun難nan，但dan通tong過guo了le解jie共gong模mo抑yi製zhi比bi
，及ji隔ge離li高gao壓ya差cha分fen探tan頭tou在zai存cun在zai高gao共gong模mo電dian壓ya情qing況kuang下xia可ke以yi怎zen樣yang實shi現xian精jing確que可ke靠kao地di測ce量liang
，許xu多duo相xiang關guan挑tiao戰zhan都dou能neng迎ying刃ren而er解jie。

 

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