【導讀】SiC、GaN 作為最新一代功率半導體器件具有遠優(yōu)于傳統 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成本。但同時(shí)，SiC、GaN極快的開(kāi)關(guān)速度也給工程師帶來(lái)了使用和測量的挑戰，稍有不慎就無(wú)法獲得正確的波形，從而嚴重影響到器件評估的準確、電路設計的性能和安全、項目完成的速度。
SiC、GaN動(dòng)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動(dòng)電壓VGS的測量，包括兩個(gè)部分：開(kāi)關(guān)過(guò)程和Crosstalk。此時(shí)是無(wú)法使用無(wú)源探頭進(jìn)行測量的，這會(huì )導致設備和人員危險，同時(shí)還會(huì )由于跳變的共模電壓而無(wú)法獲得準確的結果。通常情況下，我們會(huì )選擇高壓差分探頭來(lái)進(jìn)行測量。
我們來(lái)使用測試界的魔法棒——光隔離探頭，一起破解SiC、GaN柵極動(dòng)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(kāi)關(guān)過(guò)程VGS進(jìn)行測量，其結果如下：
從上邊的VGS波形可以發(fā)現測量結果存在以下幾個(gè)問(wèn)題 :
1. VGS波形的震蕩比較嚴重，震蕩尖峰超過(guò)了器件柵極耐壓值，會(huì )對器件的柵極壽命和安全造成負面影響。
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(wèn)題還是電路設計的有誤？
2. VGS波形顯得很粗，是驅動(dòng)供電電源的輸出紋波過(guò)大導致的么？
使用高壓差分探頭對上橋臂器件 Crosstalk 過(guò)程VGS進(jìn)行測量，其結果如下：
從上邊的 VGS 波形可以發(fā)現測量結果存在以下幾個(gè)問(wèn)題：
1. 在正向 Crosstalk 過(guò)程中，VGS波形的正向尖峰顯著(zhù)超過(guò)了器件的 VGS (th)，理應造成器件誤導通進(jìn)而導致橋臂短路，但測試中并未發(fā)生。
2. 在正向 Crosstalk 過(guò)程中，VGS波形出現了很大的負向尖峰并且也顯著(zhù)超過(guò)了器件柵極耐壓值，這與Crosstalk的原理是不相符的。
3. 在負向Crosstalk過(guò)程中，VGS波形的負向尖峰顯著(zhù)超過(guò)了器件柵極耐壓值，會(huì )影響器件柵極壽命或導致其直接擊穿。
4. 在負向Crosstalk過(guò)程中，VGS 波形出現了很大的正向尖峰，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. 根據測量結果，正向Crosstalk時(shí)應該發(fā)生橋臂短路，但實(shí)際并未發(fā)生，這是為什么？這樣的結果是應該繼續改進(jìn)電路設計還是能夠被變換器接受？
2. 正向Crosstalk出現了與理論不符的負向尖峰，負向Crosstalk出現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)題還是電路設計的有誤？
3. VGS 波形顯得很粗，是驅動(dòng)供電電源的輸出紋波過(guò)大導致的么？
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。
從上圖就可以看到，采用光隔離探頭后的開(kāi)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，同時(shí)波形也變細了。
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，正向和負向減分也都在可接受范圍之內，沒(méi)有出現與理論不相符的情況。
可見(jiàn)如果我們繼續糾結之前使用高壓差分探頭的測試結果，就是在用錯誤的波形自尋煩惱，最終只能是白白浪費了時(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影響的能力，單位為dB，數值越小，共模抑制能力越強。高壓差分探頭也是具有共模抑制能力的，只是會(huì )隨著(zhù)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(kāi)關(guān)速度就導 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. 最小測量環(huán)路
高壓差分探頭的前端是兩根十幾cm的接線(xiàn)，這將導致兩個(gè)問(wèn)題：一是長(cháng)接線(xiàn)在測量回路中可以看作是電感，會(huì )引起被測電流中不存在的震蕩；二是長(cháng)接線(xiàn)圍成的回路可以看作是一個(gè)天線(xiàn)，會(huì )接收器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中快速變化的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，導致測量結果錯誤。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(xiàn)距離更短、測量接線(xiàn)圍成的面積更小，從而避免上述問(wèn)題導致的測量結果錯誤。
3. 高共模范圍低衰減倍數
在使用高壓差分探頭時(shí)，為了應對SiC、GaN的高母線(xiàn)電壓，就需要設置探頭為高衰減比，而高衰減比就會(huì )導致測量量化誤差增大、測量系統噪聲增大，這就導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)提高測量的精度，測得的波形顯得更細。
通過(guò)以上內容可以看到光隔離探頭在對半橋電路中上橋臂器件驅動(dòng)電壓 VGS的測量中具有優(yōu)異的表現，其實(shí)，對于下橋臂器件驅動(dòng)電壓VGS的測量也是非常給力的。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。
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