功率係統設計人員在轉向SiC 時，會麵臨一些問題的挑戰：

 

●    測試設備能否準確地測量 SiC 係統的快速開關動態？

●    怎樣才能準確地優化門驅動性能和空轉時間？

●    共模瞬態信號是否影響測量準確度
？

●    我看到的振鈴是真的嗎？還是探頭響應結果
？

 

對(dui)工(gong)程(cheng)師(shi)來(lai)說(shuo)，解(jie)決(jue)這(zhe)些(xie)挑(tiao)戰(zhan)非(fei)常(chang)難(nan)。還(hai)有(you)一(yi)點(dian)，工(gong)程(cheng)師(shi)需(xu)要(yao)準(zhun)確(que)地(di)查(zha)看(kan)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)信(xin)號(hao)
，才(cai)能(neng)及(ji)時(shi)做(zuo)出(chu)正(zheng)確(que)的(de)設(she)計(ji)決(jue)策(ce)。提(ti)高(gao)設(she)計(ji)裕(yu)量(liang)和(he)過(guo)度(du)設(she)計(ji)，隻(zhi)會(hui)推(tui)動(dong)成(cheng)本(ben)上(shang)升(sheng)，讓(rang)性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)。使(shi)用(yong)適(shi)當(dang)的(de)測(ce)量(liang)設(she)備(bei)才(cai)是(shi)解(jie)決(jue)問(wen)題(ti)的(de)關(guan)鍵(jian)。

 

時域測量和開關損耗計算的準確度
，受到用來采集測量數據的探頭的準確度、帶寬和時延的影響。盡管這一討論的重點是示波器探頭之間的差異，但具體實現方式( 如布局

、寄生信號和耦合) 也在測量準確度中發揮著關鍵作用。需要測量柵極電壓、漏極電壓、電流三個重要參數，才能正確驗證采用SiC 技術的功率模塊。

 

柵極電壓測量

 

測量SiC 功率器件的柵極電壓極具挑戰性
，因為它是一種低壓信號(~20 Vpp)
，參考的節點相對於示波器接地可能會有高DC 偏置和高dv/dt。此外，最大的dv/dt fashengzaikaiguanshijianguochengzhong，zheshiceliangzhajixinhaoshizuiguanxindeshijian。jishishiqijianyuanjilianjiedaojiedidetuopuzhong，dianlujiediheshiboqijiedizhijiandejishengzukangrenghuiyouyukuaisushuntaixinhaoerdaozhicuowudushu。zheyaoqiuceliangshebeicongjiedifanou，yaoyoufeichangdadegongmoyizhibi。zhezhongzhajidianyaceliangzaichuantongshangcaiyongbiaozhunchafentantou（圖1a）
，而最新的光隔離探頭
，如IsoVu 探測係統（圖1b），則可以大大提高這種測量的準確度。

 

圖1. （a）差分電壓探頭實例：泰克差分探頭THDP0200 探頭及附件；（b）泰克lsoVu TIVP1 光隔離探頭(TIVPMX10X, ±50 V 傳感器尖端)。

 

圖2 比bi較jiao了le標biao準zhun差cha分fen探tan頭tou與yu光guang隔ge離li探tan頭tou進jin行xing的de高gao側ce柵zha極ji電dian壓ya測ce量liang。不bu管guan是shi關guan閉bi還hai是shi打da開kai，在zai器qi件jian柵zha極ji經jing過guo閾yu值zhi區qu域yu後hou
，柵zha極ji上shang都dou可ke以yi看kan到dao高gao頻pin振zhen鈴ling。由you於yu柵zha極ji和he功gong率lv環huan路lu之zhi間jian的de耦ou合he，預yu計ji會hui出chu現xian部bu分fen振zhen鈴ling。但dan是shi
，在zai差cha分fen探tan頭tou中zhong

，振zhen鈴ling的de幅fu度du明ming顯xian要yao高gao於yu光guang隔ge離li探tan頭tou測ce得de的de值zhi。這zhe可ke能neng是shi由you於yu參can考kao電dian壓ya變bian化hua在zai探tan頭tou內nei部bu引yin起qi了le共gong模mo電dian流liu及ji標biao準zhun差cha分fen探tan頭tou的de假jia信xin號hao。雖sui然ran圖tu2 中差分探頭測得的波形似乎通過了器件的最大柵極電壓，但光隔離探頭的測量準確度要更高
，明確顯示器件位於規範範圍內。

 

圖2. 差分探頭( 藍色軌跡) 與IsoVu 光隔離探頭( 黃色軌跡) 對比。

 

使(shi)用(yong)標(biao)準(zhun)差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)進(jin)行(xing)柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)測(ce)量(liang)的(de)應(ying)用(yong)工(gong)程(cheng)師(shi)要(yao)注(zhu)意(yi)，因(yin)為(wei)其(qi)可(ke)能(neng)區(qu)分(fen)不(bu)了(le)這(zhe)裏(li)顯(xian)示(shi)的(de)探(tan)頭(tou)和(he)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)假(jia)信(xin)號(hao)與(yu)器(qi)件(jian)額(e)定(ding)值(zhi)實(shi)際(ji)違(wei)規(gui)。這(zhe)種(zhong)測(ce)量(liang)假(jia)信(xin)號(hao)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)提(ti)高(gao)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)
，降(jiang)慢(man)開(kai)關(guan)瞬(shun)態(tai)信(xin)號(hao)，減(jian)少(shao)振(zhen)鈴(ling)。但(dan)是(shi)


，這(zhe)不(bu)一(yi)定(ding)會(hui)提(ti)高(gao)SiC 器件的損耗。為此，使用的測量係統一定要能準確地反映器件的實際動態，以正確設計係統，優化性能。

 

漏極電壓測量

 

在(zai)功(gong)率(lv)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)中(zhong)，差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)和(he)參(can)考(kao)地(di)電(dian)平(ping)探(tan)頭(tou)是(shi)兩(liang)種(zhong)常(chang)用(yong)的(de)電(dian)壓(ya)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)。差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)是(shi)一(yi)種(zhong)流(liu)行(xing)的(de)選(xuan)擇(ze)
，因(yin)為(wei)它(ta)可(ke)以(yi)毫(hao)無(wu)問(wen)題(ti)地(di)添(tian)加(jia)到(dao)電(dian)路(lu)的(de)任(ren)意(yi)節(jie)點(dian)中(zhong)。而(er)參(can)考(kao)地(di)電(dian)平(ping)探(tan)頭(tou)要(yao)注(zhu)意(yi)實(shi)現(xian)方(fang)式(shi)，因(yin)為(wei)其(qi)屏(ping)蔽(bi)引(yin)腳(jiao)連(lian)接(jie)到(dao)示(shi)波(bo)器(qi)的(de)接(jie)地(di)上(shang)。參(can)考(kao)地(di)電(dian)平(ping)測(ce)量(liang)實(shi)現(xian)不(bu)正(zheng)確(que)，一(yi)般(ban)會(hui)導(dao)致(zhi)探(tan)頭(tou)參(can)考(kao)上(shang)出(chu)現(xian)小(xiao)的(de)接(jie)地(di)電(dian)流(liu)，明(ming)顯(xian)降(jiang)低(di)測(ce)量(liang)的(de)準(zhun)確(que)度(du)。這(zhe)種(zhong)效(xiao)應(ying)在(zai)SiC 設計中會更明顯
，因為高dv/dt會給示波器探頭參考地電平引入寄生電流，導致測量誤差。在更嚴重的情況下( 參考地電平屏蔽層連接到功率信號時)，大(da)電(dian)流(liu)會(hui)流(liu)過(guo)接(jie)地(di)，損(sun)壞(huai)探(tan)頭(tou)或(huo)示(shi)波(bo)器(qi)。在(zai)最(zui)壞(huai)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，從(cong)儀(yi)器(qi)到(dao)接(jie)地(di)的(de)連(lian)接(jie)失(shi)敗(bai)會(hui)導(dao)致(zhi)示(shi)波(bo)器(qi)的(de)外(wai)部(bu)金(jin)屬(shu)殼(ke)浮(fu)動(dong)到(dao)總(zong)線(xian)電(dian)壓(ya)，給(gei)操(cao)作(zuo)人(ren)員(yuan)的(de)人(ren)身(shen)安(an)全(quan)帶(dai)來(lai)嚴(yan)重(zhong)威(wei)脅(xie)。

 

在使用參考地電平CVR 時
，接地問題變得更加關鍵。如圖3 所示，在結合使用參考地電平探頭與CVR 時，有可能通過示波器屏蔽路徑繞過CVR。這(zhe)會(hui)導(dao)致(zhi)整(zheng)個(ge)器(qi)件(jian)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)示(shi)波(bo)器(qi)，可(ke)能(neng)會(hui)損(sun)壞(huai)電(dian)壓(ya)探(tan)頭(tou)或(huo)示(shi)波(bo)器(qi)
，也(ye)會(hui)帶(dai)來(lai)重(zhong)大(da)的(de)人(ren)身(shen)安(an)全(quan)隱(yin)患(huan)。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)
，推(tui)薦(jian)使(shi)用(yong)差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)進(jin)行(xing)器(qi)件(jian)漏(lou)極(ji)到(dao)源(yuan)極(ji)測(ce)量(liang)。

 

圖3. 在兩隻參考地電平的探頭連接到不同電壓的參考平麵時，器件電流會旁路CVR，流經地線和示波器。這會導致測量錯誤
，並可能會導致設備損壞。

 

電流測量

 

在功率電子係統中， 電流查看電阻器(CVR) 和Rogowski 線圈（圖4 a 和b）是兩種常用的電流測量方法。Rogowski 線圈是一種流行的選擇

，因為它可以簡便地添加到電路中，是一種非侵入式測量
，但這類探頭通常會有明顯的帶寬限製

，不適合用於SiC。另一方麵，CVRs 擁有極高的帶寬，可以進行準確的電流測量。遺憾的是，串聯晶體管時需要添加額外的器件要求謹慎規劃PCB 布線，因為添加CVR 一般會提高電路中的寄生電感。

 

圖4 比較了Rogowski 線圈和CVR 測量的典型SiC 硬開關事件。Rogowski 線圈的帶寬明顯低得多，導致人為抑製試驗波形中存在的振鈴。更重要的是，它會人為抑製初始過衝
，對測量的di/dt 發出預警。

 

圖4. CVR 與Rogowski 電流探頭，CAB016M12FM3 (TJ = 25℃ , RG = 6.8, Vos= 600 V,Is = 100A)。

 

圖5. CVR 與Rogowski 電流探頭, CAB011M12FM3 (TJ= 150℃ , RG = 1W), VDS= 600 V, IS = 100A)。

 

圖5 在更加激進的開關條件下比較了不同的探頭

，比較中突出了兩個關心的點。第一，在關閉時
，Rogowski 線圈不能充分捕獲電流波形的形狀
，漏掉了輕微的膝部
，會降低表麵上的開關損耗。此外
，打開時預測的di/dt 下降還會導致預測的開關損耗降慢。Rogowski 線圈帶寬下降的累積效應，是估算的開關損耗降低。

 

圖6 直接比較了Wolfspeed WolfPACK™CAB011Ml2FM3 在漏極電流中估算的開關損耗。如上所述
，Rogowski xianquanzaiyuceshiyizhidiguledianludekaiguansunhao，geirenganjiaodianlusunhaoguoyuleguan。youyubuyizhiyutantoudaikuanxianzhiyouguan，suoyitaqujueyujingtiguandebianyansulv，zaigengjijindezhajidianzushihuijinyibutigao。duidisukaiguanjishu( 如IGBTs)，計量差異可以忽略不計。

 

圖6. 使用不同探頭(CAB011M12FM3, TJ = 150℃ , RG= 1W) 估算開關損耗(Eoff + Eon)。

 

校正探頭時延

 

使(shi)用(yong)的(de)探(tan)頭(tou)除(chu)了(le)要(yao)有(you)充(chong)足(zu)的(de)帶(dai)寬(kuan)和(he)噪(zao)聲(sheng)抑(yi)製(zhi)功(gong)能(neng)外(wai)
，還(hai)必(bi)須(xu)進(jin)行(xing)時(shi)延(yan)校(xiao)正(zheng)，保(bao)證(zheng)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)和(he)電(dian)流(liu)信(xin)號(hao)的(de)時(shi)延(yan)匹(pi)配(pei)。電(dian)壓(ya)探(tan)頭(tou)和(he)電(dian)流(liu)探(tan)頭(tou)時(shi)延(yan)不(bu)匹(pi)配(pei)哪(na)怕(pa)隻(zhi)有(you)1-2ns

，就會導致30% 及以上的Eon 和Eoff 測量誤差。正確地進行時延校正對SiC 係統中固有的快速開關瞬態信號至關重要。

 

在(zai)時(shi)延(yan)校(xiao)正(zheng)前(qian)
，必(bi)要(yao)時(shi)要(yao)自(zi)動(dong)清(qing)零(ling)和(he)校(xiao)準(zhun)探(tan)頭(tou)
，消(xiao)除(chu)任(ren)何(he)偏(pian)置(zhi)或(huo)定(ding)標(biao)誤(wu)差(cha)。通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)對(dui)稱(cheng)連(lian)接(jie)把(ba)兩(liang)隻(zhi)探(tan)頭(tou)連(lian)接(jie)到(dao)一(yi)台(tai)函(han)數(shu)發(fa)生(sheng)器(qi)上(shang)，可(ke)以(yi)校(xiao)正(zheng)電(dian)壓(ya)探(tan)頭(tou)VDS 和VGS 的時延。使用函數發生器生成的方波，檢查信號的振鈴和下降沿是否對齊。可以使用圖7 suoshidedianluban，jianbiandilianjiehanshufashengqiherenhedianyatantou。hanshufashengqixinhaolianjiedaodianlubanzhongxin，dianlubanbianyuanzhouweiweishiboqitantoulianjietigonglegezhongxuanxiang
，keyishiyinggezhongtantoujiekou。

 

圖7. 功率測量時延校正和校準夾具(067-1686-00)7
，可以補償電壓探頭和電流探頭之間的定時差。

 

有多種方法校正VDS 和ID 探頭時延
，保證正確測量開關損耗。所有方法背後的原理都一樣
，即要有一條測試電路
，如圖7suoshidejiaju，jinkenengjiejinchundianzudianlu
，zheyangdianyaboxinghedianliuboxingjiunengduizhun。ranhoukeyishiyongzhetiaoceshidianluxiaozhengdianliutantoushiyan，yudianyatantouxiangyingxiangpipei。

 

SiC 電路級驗證使用的探頭連接技術

 

在(zai)執(zhi)行(xing)柵(zha)極(ji)測(ce)量(liang)時(shi)，要(yao)認(ren)真(zhen)考(kao)慮(lv)連(lian)接(jie)選(xuan)項(xiang)，確(que)保(bao)從(cong)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)模(mo)塊(kuai)中(zhong)捕(bu)獲(huo)幹(gan)淨(jing)的(de)信(xin)號(hao)。鑒(jian)於(yu)這(zhe)是(shi)在(zai)較(jiao)高(gao)電(dian)壓(ya)下(xia)進(jin)行(xing)的(de)未(wei)接(jie)地(di)測(ce)量(liang)，因(yin)此(ci)連(lian)接(jie)非(fei)常(chang)關(guan)鍵(jian)。有(you)兩(liang)種(zhong)主(zhu)要(yao)連(lian)接(jie)方(fang)式(shi)：MMCX 為器件連接提供了一種模塊化預製件方法
，方針則有一個連接器可以轉接到不同的PC 電路板實現方案。

 

MMCX 式傳感器尖端電纜( 高性能，高達250 V 應用)

 

MMCX 連接器插到測試點附近時
，IsoVu Gen 2 測量係統可以實現最好的性能。圖8 a 和 b 顯示了兩種不同的應用。這些MMCX連接器提供了高信號保真度，固體金屬機身和黃金觸點提供了屏蔽精良的信號路徑。配對的MMCX 接口提供了卡接連接，擁有正向固定力，實現穩定的免提連接能力。分離力為高壓應用提供了安全穩定的連接。MMCX連接器分成多種配置，可以轉接到許多應用
，即使電路板中沒有設計這種連接器也無妨。

 

圖8. MMCX 連接器 （a）實例1 （b）實例2

 

方針到MMCX 轉接頭

 

在不能使用MMCX 連(lian)接(jie)器(qi)時(shi)，可(ke)以(yi)轉(zhuan)接(jie)尖(jian)端(duan)電(dian)纜(lan)，適(shi)應(ying)行(xing)業(ye)標(biao)準(zhun)方(fang)針(zhen)。泰(tai)克(ke)提(ti)供(gong)了(le)探(tan)頭(tou)轉(zhuan)接(jie)頭(tou)，把(ba)傳(chuan)感(gan)器(qi)尖(jian)端(duan)電(dian)纜(lan)連(lian)接(jie)到(dao)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)方(fang)針(zhen)上(shang)。泰(tai)克(ke)提(ti)供(gong)了(le)兩(liang)種(zhong)不(bu)同(tong)間(jian)距(ju)的(de)轉(zhuan)接(jie)頭(tou)：MMCX 到0.1 英寸(2.54 毫米)轉接頭和MMCX 到0.062 英寸(1.57 毫米) 轉接頭。轉接頭有一個MMCX 插座，用來連接IsoVu尖端電纜。轉接頭另一端有一個中心引腳插座，轉接頭外部周圍有4 個公共( 屏蔽) 插座。轉接頭上的凹槽可以用來固定屏蔽插座。在探頭尖端轉接頭靠近電路板時，可以實現最佳的電氣性能。

 

方針式傳感器尖端電纜

 

TIVP 係列(IsoVu Gen 2) 產chan品pin還hai包bao括kuo方fang針zhen式shi傳chuan感gan器qi尖jian端duan電dian纜lan
，可ke以yi實shi現xian更geng高gao的de輸shu入ru差cha分fen電dian壓ya功gong能neng。這zhe些xie尖jian端duan接jie口kou不bu僅jin連lian接jie簡jian便bian，而er且qie連lian接jie牢lao固gu
，在zai高gao壓ya環huan境jing中zhong可ke以yi安an全quan實shi現xian免mian提ti操cao作zuo。方fang針zhen式shi傳chuan感gan器qi尖jian端duan電dian纜lan分fen成cheng兩liang種zhong：0.100?0?1 (2.54 mm) 間距，可以用於高達600V 的應用；0.200?0?1 (5.08 mm) 間距， 可以用於高達2500 V 的應用。

 

非預計的測試點

 

在理想情況下，測試點會提前規劃
，並整合到柵極驅動器或評測電路板中，如Wolfspeed KIT-CRDCIL12N-FMC Wolfpack 評測套件。在這種場景下
，MMCX 連接器會提供最好的性能，如果關心的信號落在300Vpk 電壓額定值範圍內，推薦使用MMCX連接器。

 

當然
，我們不能一直預測每個可能的測試點。在具體情況要求添加非預計的測試點時（如圖9 所示）
，應根據以下指引確保最高的測量準確度：

 

在電壓額定值允許時使用MMCX 連接器。

 

連接器位置要盡可能安全地靠近IC 或元器件。

 

同樣，任何要求的飛線要盡可能短或不用飛線。

 

使用熱熔膠、聚酰亞胺膠帶或類似東西機械加強連接器。

 

在實例中，電路板組裝後在VGS 測試點中添加了一個方針頭部。測試點使用非導電的熱熔膠加強
，以增加強度。

 

圖9. 經VGS 節點焊接方針頭部，測量高側柵極驅動信號。

 

小結

 

總之，寬帶隙半導體技術將在功率轉換和能效的未來發展中發揮巨大的作用。與同等矽產品相比，SiC 開(kai)關(guan)更(geng)小(xiao)，更(geng)快(kuai)
，效(xiao)率(lv)更(geng)高(gao)。這(zhe)些(xie)技(ji)術(shu)廣(guang)泛(fan)用(yong)於(yu)各(ge)種(zhong)應(ying)用(yong)中(zhong)，從(cong)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)到(dao)光(guang)伏(fu)材(cai)料(liao)。因(yin)此(ci)，使(shi)用(yong)正(zheng)確(que)的(de)工(gong)具(ju)測(ce)試(shi)這(zhe)些(xie)技(ji)術(shu)變(bian)得(de)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)，這(zhe)樣(yang)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)才(cai)能(neng)正(zheng)確(que)設(she)計(ji)、開發及整合到最終應用中。

 

泰克係列解決方案發揮著關鍵作用。IsoVu™ 隔離探測係統提供了浮動的非參考地電平的差分探測體驗
，特別適合柵極測量需求，其帶寬從200 MHz 到1 GHz
，擁有各種探測尖端，在需要時可以衰減支持電壓更高的信號。5 係MSO 示波器是高分辨率(12 位) 示波器，特別適合測試存在高得多的電壓時的小電壓；8 條通道可以同時查看更多的定時信號，優化性能，考察大量信號之間的關聯性。5-PWR 軟件旨在5 係MSO 示波器上運行自動的、準確的、可重複的功率完整性測量，包括實際工作條件下的開關損耗、傳導損耗、RDS_ON、磁性損耗、SOA 等等。

 

關於泰克科技

 

泰克公司總部位於美國俄勒岡州畢佛頓市，致力提供創新、精確、操作簡便的測試、測量和監測解決方案，解決各種問題，釋放洞察力，推動創新能力。70多年來，泰克一直走在數字時代前沿。歡迎加入我們的創新之旅
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