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、menqudongqihebuxianzhengqueqieyouhuashejishi
，zhezhongdianludeyoushicainengdedaoshixian。zaiceliangjieguoyuyuqijieguobuyizhishi，kenenghennantiquyubeiceqijianyouguandeyouyiyidexijie。gengzaogaodeshi，jiyutantouweizhiheqitayinsu，boxingkenenghuimingxianbianhua，zuizhonghuirangshejirenyuandebuchangshi。

xiaolvhegonglvmiduyaoqiujingchanghuisuizheyingyongshejiyaoqiubianhua，rushifouyaoyouhuaxingnengjiagebi。zaigonglvmiduzhonggaishannengxiaodeyaoqiu，juedingzheshejidetuopujiegou
，jineryingxiangzheyaokaolvdeceliangshebeihejishu。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、celiangfeichangxiaodedianliudenengli。jinguangonglvshejiyaoqiurixinyueyi
，danceshiceliangjishudeshijifazhanyizhiyouxiezhihou。zaimouxieqingkuangxia，shejirenyuanbudeyikaifadingzhiceliangjiejuefangan，huozhinengjinsihuodebufenceliang
，hushikenengdeyouhua。

 

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

 

daduoshushiboqidouhuipeiyouyitaowuyuanhuodanduantantou。zhexietantouzhinengzhunquediceliangyishiboqididianpingweicankaodexinhao，qiexianyujinxingdiyaceceliang。tongguogelishiboqi
，huoshiyongyiduitantoujinxingweichafenceliang（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。

 

yinci

，banqiaohemenqudongqiceliangzhongzuiyingguanzhudexingnengzhibiaoshishangshengshijian。shangshengshijiankeyicongdaikuanzhongjisuandechu
，danruguoxiangkekaodilejieceliangxitongdeshangshengshijianhequanbushijianxiangying
，weiyidefangshishishiyongjieyuexinhaolaishijiceliangshangshengshijian，zhegejieyuexinhaoyaoyuanyuankuaiyuninceliangdexinhao。

 

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

 

在(zai)測(ce)量(liang)門(men)驅(qu)動(dong)器(qi)電(dian)流(liu)時(shi)，許(xu)多(duo)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)使(shi)用(yong)外(wai)加(jia)電(dian)流(liu)分(fen)流(liu)器(qi)，而(er)不(bu)是(shi)電(dian)流(liu)探(tan)頭(tou)，原(yuan)因(yin)很(hen)簡(jian)單(dan)，因(yin)為(wei)使(shi)用(yong)電(dian)流(liu)探(tan)頭(tou)測(ce)量(liang)環(huan)路(lu)的(de)電(dian)感(gan)會(hui)影(ying)響(xiang)電(dian)路(lu)。通(tong)常(chang)來(lai)說(shuo)，設(she)計(ji)中(zhong)在(zai)門(men)驅(qu)動(dong)器(qi)和(he)門(men)之(zhi)間(jian)會(hui)已(yi)經(jing)串(chuan)聯(lian)了(le)一(yi)個(ge)電(dian)阻(zu)器(qi)。為(wei)使(shi)插(cha)入(ru)阻(zu)抗(kang)達(da)到(dao)最(zui)小(xiao)，電(dian)流(liu)分(fen)流(liu)器(qi)的(de)阻(zu)值(zhi)會(hui)保(bao)持(chi)得(de)非(fei)常(chang)低(di)，所(suo)以(yi)經(jing)過(guo)電(dian)流(liu)分(fen)流(liu)器(qi)的(de)電(dian)壓(ya)下(xia)跌(die)也(ye)會(hui)非(fei)常(chang)低(di)。通(tong)過(guo)先(xian)測(ce)得(de)經(jing)過(guo)電(dian)流(liu)分(fen)流(liu)器(qi)的(de)電(dian)壓(ya)下(xia)跌(die)值(zhi)，然(ran)後(hou)再(zai)除(chu)以(yi)電(dian)阻(zu)器(qi)的(de)已(yi)知(zhi)電(dian)阻(zu)
，可(ke)以(yi)得(de)出(chu)電(dian)流(liu)。

 

把ba電dian流liu分fen流liu器qi連lian接jie到dao低di壓ya側ce上shang，通tong常chang意yi味wei著zhe一yi個ge端duan子zi接jie地di。放fang在zai低di壓ya側ce與yu放fang在zai高gao壓ya側ce的de主zhu要yao差cha異yi
，是shi放fang在zai低di壓ya側ce會hui降jiang低di或huo有you效xiao消xiao除chu共gong模mo電dian壓ya，共gong模mo電dian壓ya會hui在zai電dian流liu分fen流liu器qi的de任ren意yi一yi側ce同tong時shi同tong相xiang出chu現xian。因yin此ci，一yi般ban推tui薦jian在zai低di壓ya側ce放fang置zhi電dian流liu分fen流liu器qi
，特te別bie是shi在zai高gao壓ya情qing況kuang下xia。在zai高gao流liu應ying用yong中zhong，接jie地di彈dan跳tiao會hui顯xian示shi為wei共gong模mo信xin號hao。

 

隔離示波器

 

打破接地環路的技術之一，是“隔離示波器”huogelibeicedianlu。fudihuidapoyujiedidelianjie
，zaililunshangkeyizailianggeceshidianzhijianjinxingchafenceliang，yinweishiboqijiediyijingbeipohuai。zhezhongfangfabenshenjiushiweixiande，yinweitapohuailechudianbaohu
，haikenenghuisunhuaiceliangshebei。

 

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SiC應ying用yong，差cha分fen探tan頭tou是shi準zhun確que進jin行xing低di壓ya側ce測ce量liang和he某mou些xie高gao壓ya側ce測ce量liang的de很hen好hao選xuan擇ze。但dan對dui性xing能neng更geng高gao的de器qi件jian來lai說shuo，最zui可ke能neng的de情qing況kuang是shi傳chuan統tong高gao壓ya差cha分fen探tan頭tou並bing不bu是shi最zui佳jia選xuan擇ze，因yin為wei其qi在zai更geng高gao的de頻pin率lv下xia共gong模mo抑yi製zhi能neng力li不bu足zu。在zai執zhi行xing高gao壓ya側ce電dian壓ya測ce量liang時shi
，這zhe成cheng為wei一yi個ge明ming顯xian的de問wen題ti，因yin為wei要yao在zai快kuai速su開kai關guan跳tiao變bian過guo程cheng中zhong，在zai存cun在zai大da的de共gong模mo電dian壓ya的de情qing況kuang下xia測ce量liang小xiao的de差cha分fen電dian壓ya。

 

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da1 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)。

 

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。
(來源：泰克科技公司，作者：泰克科技公司
，WilsonLee)