【導讀】碳化矽（SiC）技術已超越傳統的矽（Si）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）應用，因為它具有大功率係統的主要熱和電氣優勢。這些優勢包括更高的開關頻率
、更高的功率密度
、更好的工作溫度
、更高的電流/電壓能力以及整體更好的可靠性和效率。SiC器件正在迅速取代基於矽的組件和模塊

，作為係統升級和係統設計的新選擇。

碳化矽（SiC）技術已超越傳統的矽（Si）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）應用，因為它具有大功率係統的主要熱和電氣優勢。這些優勢包括更高的開關頻率、更高的功率密度、更好的工作溫度

、更高的電流/電壓能力以及整體更好的可靠性和效率。SiC器件正在迅速取代基於矽的組件和模塊
，作為係統升級和係統設計的新選擇。

借助 WolfPACK 係列壓接引腳、無底板模塊，設計人員可以隨時進行行業標準的 SiC 升級，用於提高係統可靠性同時降低 BOM 和維護成本的設計。

SiC器件市場涵蓋廣泛的功率和應用（電動汽車充電
，太陽能和風能等能量收集，電源逆變器，工業電源，數據中心）。在低端 （1–50 kW），分立式 MOSFET 有助於最大限度地提高拓撲靈活性，實現多源功能，並最大限度地降低總 BOM 成本。對於中等功率範圍（20–150 kW），WolfPACK 係列功率模塊提供行業標準封裝

，可根據需要進行擴展，並且仍然提供靈活的解決方案和拓撲。在高端（150-600 kW+），存在高功率模塊，例如XM3係列
，可以擴展以滿足各種直流母線配置的高功率需求。

yudaduoshuyingyongchengxuyiyang，xuyaozaikaifaguochengzhongdongtaibiaozhengheceshixitong。tongguoceliangguanjianxinhaohecanshu，ranhoutiaozhengbujuhezujian
，shejirenyuankeyichongfenliyongzhexiegaoxingnengSiC的優勢，並生成更可靠
、更高效的係統。對於來自低電壓和低速矽器件的工程師來說，測量和優化某些特性（如柵極驅動性能、開關能量和損耗、死區時間
、振鈴/振蕩和效率）可能具有挑戰性。重要的是，用於驗證/確認以量化和鑒定數據的設備和測量方法必須準確，並且足夠快
，以跟上高開關速度。

本文將重點介紹測量SiC相關信號的方法
，並推薦相關設備
，同時演示Wolfspeed的CAB011MI2FM3半橋功率模塊的示例。

通過柵極和漏極電壓測量進行碳化矽驗證

MOSFET 開關的動態測量有三個主要領域，可以正確驗證器件：柵極-源極電壓 （VGS）、漏源電壓（VDS） 和電流。根據這些參數
，工程師可以確定（和優化）能量和開關損耗

、柵極特性和穩定性、定時/開關速度以及過衝/振鈴。

測量SiC功率器件的柵極電壓具有挑戰性，因為它是一個低壓信號，通常以節點為參考
，相對於示波器接地可能具有高直流失調和高dV/dt。由於電路接地和示波器/探頭接地之間的寄生阻抗
，快速瞬變可能會引入錯誤讀數，因此需要與地解耦並具有大共模抑製比的器件。較新的光隔離探頭（如圖2所示）可以比現有的差分探頭更準確地捕獲柵極電壓測量值。

將(jiang)光(guang)隔(ge)離(li)探(tan)頭(tou)與(yu)更(geng)傳(chuan)統(tong)的(de)差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)時(shi)，由(you)於(yu)基(ji)準(zhun)電(dian)壓(ya)的(de)變(bian)化(hua)在(zai)探(tan)頭(tou)內(nei)感(gan)應(ying)共(gong)模(mo)電(dian)流(liu)，柵(zha)極(ji)差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)上(shang)的(de)振(zhen)鈴(ling)通(tong)常(chang)要(yao)多(duo)得(de)多(duo)。這(zhe)可(ke)能(neng)會(hui)使(shi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)在(zai)嚐(chang)試(shi)區(qu)分(fen)可(ke)歸(gui)因(yin)於(yu)被(bei)測(ce)器(qi)件(jian)的(de)行(xing)為(wei)與(yu)探(tan)頭(tou)本(ben)身(shen)的(de)偽(wei)影(ying)時(shi)變(bian)得(de)困(kun)難(nan)。如(ru)果(guo)誤(wu)解(jie)，測(ce)量(liang)偽(wei)影(ying)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)增(zeng)加(jia)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)

，以(yi)減(jian)慢(man)開(kai)關(guan)速(su)度(du)並(bing)減(jian)少(shao)振(zhen)鈴(ling)。柵(zha)極(ji)上(shang)的(de)錯(cuo)誤(wu)測(ce)量(liang)通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)dV/dt才能消除，從而大大增加損耗，而沒有實際好處。可以理解的是，確保電壓探頭準確反映係統的實際動態至關重要。

圖3顯(xian)示(shi)了(le)差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)和(he)測(ce)量(liang)柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)的(de)光(guang)隔(ge)離(li)探(tan)頭(tou)的(de)比(bi)較(jiao)。從(cong)波(bo)形(xing)來(lai)看(kan)，標(biao)準(zhun)差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)引(yin)入(ru)了(le)實(shi)際(ji)上(shang)不(bu)存(cun)在(zai)的(de)額(e)外(wai)振(zhen)鈴(ling)和(he)振(zhen)蕩(dang)。光(guang)學(xue)隔(ge)離(li)探(tan)頭(tou)表(biao)現(xian)出(chu)更(geng)清(qing)晰(xi)的(de)行(xing)為(wei)
，從(cong)而(er)能(neng)夠(gou)更(geng)好(hao)地(di)了(le)解(jie)設(she)備(bei)動(dong)態(tai)。

圖 3：用於 MOSFET 柵極電壓的差分探頭（藍色）與 IsoVu 光隔離探頭（黃色）

然(ran)而(er)，使(shi)用(yong)差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)有(you)一(yi)些(xie)好(hao)處(chu)，例(li)如(ru)跨(kua)電(dian)路(lu)的(de)任(ren)意(yi)節(jie)點(dian)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)。當(dang)使(shi)用(yong)漏(lou)源(yuan)電(dian)壓(ya)探(tan)頭(tou)時(shi)，必(bi)須(xu)以(yi)防(fang)止(zhi)多(duo)個(ge)接(jie)地(di)點(dian)的(de)方(fang)式(shi)參(can)考(kao)係(xi)統(tong)。圖(tu)4顯示了一個接地參考探頭，該探頭將其屏蔽連接到示波器的接地。這可能導致探頭參考上的接地電流很小，並降低測量精度。在SiC設計中，對於高dV/dt
，由於寄生電流在示波器探頭接地參考中流動，這種效應可能會加劇。

使用電流觀察電阻（CVR）時
，設置接地變得更加重要。如果在不考慮CVR的情況下直接測量VDS，則由於相對於示波器的多個參考點，可能會引入意外行為。如果重新定位CVR

，使其參考點與VDS測量的參考點對齊（提供反轉信號，可通過示波器進行調整），則將消除接地環路
，從而提高精度。

有關探頭接地不良的示意圖
，請參見圖5。在此圖中
，兩個以地為參考的探頭連接到不同電壓電平的基準電壓源。這會導致器件電流繞過CVR並(bing)流(liu)過(guo)接(jie)地(di)引(yin)線(xian)和(he)示(shi)波(bo)器(qi)
，從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)讀(du)數(shu)錯(cuo)誤(wu)並(bing)可(ke)能(neng)損(sun)壞(huai)設(she)備(bei)。通(tong)常(chang)，建(jian)議(yi)使(shi)用(yong)差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)測(ce)量(liang)漏(lou)源(yuan)電(dian)壓(ya)
，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)消(xiao)除(chu)了(le)大(da)多(duo)數(shu)接(jie)地(di)問(wen)題(ti)。

圖 5：漏源到源極測量的探頭接地不正確的示例

如上圖所示，CVR可用於對MOSFET進行電流測量。測量電流的另一種方法是使用羅氏線圈，因為它可以很容易地以非侵入性方式添加到電路中。Rogowski線圈的缺點是它們通常具有明顯的帶寬限製，由於快速切換，通常不適合基於SiC的測量。

圖6顯示了羅氏線圈帶寬的限製以及它如何影響測量的開關能量。CVR 提供高帶寬和精確的電流測量


，但它們也有其自身的一係列挑戰。這包括需要額外的串聯元件，這可能需要在PCB布局期間進行仔細規劃，並從PCB增加不需要的寄生電感。在表征SiC MOSFET的de開kai關guan行xing為wei時shi，了le解jie探tan頭tou的de局ju限xian性xing非fei常chang重zhong要yao。了le解jie所suo用yong探tan頭tou的de適shi當dang頻pin率lv範fan圍wei和he用yong例li將jiang有you助zhu於yu確que保bao在zai正zheng確que的de情qing況kuang下xia使shi用yong正zheng確que的de探tan頭tou。如ru前qian所suo述shu

，羅luo氏shi線xian圈quan在zai插cha入ru高gao頻pin電dian源yuan環huan路lu時shi會hui少shao報bao開kai關guan損sun耗hao，但dan它ta們men是shi測ce量liang相xiang位wei/電感電流的絕佳探頭。另一方麵
，CVR不是嚐試表征逆變器輸出電流的最佳選擇，因為它難以插入
，穩態電流限製和缺乏隔離。

圖 6：激進開關條件下探頭（CVR 與羅氏線圈）的比較

探頭去偏斜和連接技術的重要性

除chu了le使shi用yong具ju有you足zu夠gou帶dai寬kuan和he噪zao聲sheng抑yi製zhi的de探tan頭tou外wai
，還hai必bi須xu及ji時shi糾jiu偏pian探tan頭tou，以yi確que保bao電dian壓ya和he電dian流liu信xin號hao具ju有you匹pi配pei的de延yan遲chi。如ru果guo不bu進jin行xing去qu偏pian斜xie，錯cuo誤wu的de測ce量liang會hui導dao致zhi開kai關guan能neng量liang計ji算suan誤wu差cha超chao過guo30%。在去偏斜之前

，重要的是自動歸零並根據需要校準探頭。

通過將V DS和VGS的電壓探頭連接到函數發生器並使用方波檢查電流、柵極電壓和漏極電壓信號的上升沿和下降沿是否對齊
，可以對這兩個探頭進行去偏斜。該過程也可以與使用測試電路板（測試夾具）的電流探頭一起執行，以補償兩個探頭之間的時序差異。圖7顯示了這種電路板的示例。

在 執行 柵 極 測量 時， 必須 考慮 從 功率 轉換 模 塊 捕獲 的 信號 的 連接 性 和 清潔 度。MMCX提供了一種模塊化的預製器件連接方法

，而方形引腳方法具有一個適用於不同PCB實現的連接器。

MMCX 連接器符合行業標準，提供高保真度和良好的屏蔽接地路徑。為了獲得最佳性能，連接器應盡可能靠近被測電壓節點插入。當 MMCX 連接器不可用時，下一個最佳方法是使用可以適應行業標準方形引腳的尖端電纜。上圖所示的適配器具有用於連接到IsoVu探頭尖端的MMCX插孔
，當探針尖端適配器盡可能靠近電路板時
，可實現最佳性能。

TIVP 係列探頭還提供方形引腳式 0.100“ 間距適配器
，能夠測量大差分電壓
，並為免提操作提供簡單
、安全的連接。

理想情況下，測試點是預先確定的，並集成到柵極驅動器或評估板的PCB布局中

，例如Wolfspeed KIT-CRD-CIL12N-FMC。當沒有足夠的測試點可用但需要連接到信號進行測試時，可以通過以下程序/指南添加計劃外測試點：

在額定電壓允許的情況下使用 MMCX 連接器。
將連接器放置在盡可能靠近 IC 或組件的位置。
保持任何所需的飛線短或不存在。
使用非導電熱膠
、Kapton 膠帶或類似材料機械加固連接器

結論

總而言之，與傳統矽組件相比
，SiC技術推動電力電子係統更小、更快、genggaoxiao。congdiandongqichechongdianhetaiyangnengdenghuanbaoxingyedaogaogonglvnibianqiheshujuzhongxin，yingyongfanweiguangfan
，zhengqueceshihebiaozhengbujinyaoquebaokekaoxing
，haiyaochongfenliyongSiC實現的效率和功率密度
，因此變得非常重要。

IsoVu 隔離式探測係統提供浮動
、非接地差分探測體驗
，非常適合柵極測量，而 5 係列 MSO 示(shi)波(bo)器(qi)是(shi)一(yi)種(zhong)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)示(shi)波(bo)器(qi)，非(fei)常(chang)適(shi)合(he)在(zai)存(cun)在(zai)更(geng)高(gao)電(dian)壓(ya)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)測(ce)試(shi)小(xiao)電(dian)壓(ya)。測(ce)量(liang)漏(lou)源(yuan)電(dian)壓(ya)時(shi)，請(qing)確(que)保(bao)接(jie)地(di)不(bu)會(hui)導(dao)致(zhi)寄(ji)生(sheng)電(dian)流(liu)回(hui)流(liu)到(dao)探(tan)頭(tou)中(zhong)。

考慮CVR和(he)羅(luo)氏(shi)線(xian)圈(quan)在(zai)測(ce)量(liang)電(dian)流(liu)方(fang)麵(mian)的(de)區(qu)別(bie)，以(yi)及(ji)開(kai)關(guan)條(tiao)件(jian)如(ru)何(he)導(dao)致(zhi)錯(cuo)誤(wu)的(de)測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)。驗(yan)證(zheng)探(tan)頭(tou)是(shi)否(fou)正(zheng)確(que)去(qu)偏(pian)斜(xie)
，以(yi)確(que)保(bao)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)信(xin)號(hao)具(ju)有(you)匹(pi)配(pei)的(de)延(yan)遲(chi)。提(ti)供(gong)參(can)考(kao)設(she)計(ji)和(he)評(ping)估(gu)套(tao)件(jian)以(yi)幫(bang)助(zhu)指(zhi)導(dao)工(gong)程(cheng)師(shi)完(wan)成(cheng)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)
，而(er) 5-PWR 等軟件套件設計用於在 5 係列 MSO 示波器上運行自動化、準確且可重複的功率測量。

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