破解SiC、GaN柵極動態(tài)測試難題的魔法棒 — 光隔離探頭

SiC、GaN 作為最新一代功率半導(dǎo)體器件具有遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng) 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(tǒng)成本。但同時，SiC、GaN極快的開關(guān)速度也給工程師帶來了使用和測量的挑戰(zhàn)，稍有不慎就無法獲得正確的波形，從而嚴(yán)重影響到器件評估的準(zhǔn)確、電路設(shè)計(jì)的性能和安全、項(xiàng)目完成的速度。

SiC、GaN動態(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(qū)動電壓V_GS的測量，包括兩個部分：開關(guān)過程和Crosstalk。此時是無法使用無源探頭進(jìn)行測量的，這會導(dǎo)致設(shè)備和人員危險，同時還會由于跳變的共模電壓而無法獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。通常情況下，我們會選擇高壓差分探頭來進(jìn)行測量。

我們來使用測試界的魔法棒——光隔離探頭，一起破解SiC、GaN柵極動態(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關(guān)過程V_GS進(jìn)行測量，其結(jié)果如下：

從上邊的V_GS波形可以發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果存在以下幾個問題 :

1.  V_GS波形的震蕩比較嚴(yán)重，震蕩尖峰超過了器件柵極耐壓值，會對器件的柵極壽命和安全造成負(fù)面影響。

2.  V_GS波形的噪聲很大顯得很粗。

看到這樣波形會產(chǎn)生以下困惑：

1. 這樣的 V_GS波形震蕩在電路應(yīng)用中不可接受的，那么測得的震蕩是否測量正確？是器件自身的問題還是電路設(shè)計(jì)的有誤？

2.  V_GS波形顯得很粗，是驅(qū)動供電電源的輸出紋波過大導(dǎo)致的么？

使用高壓差分探頭對上橋臂器件 Crosstalk 過程V_GS進(jìn)行測量，其結(jié)果如下：

從上邊的 V_GS  波形可以發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果存在以下幾個問題：

1. 在正向 Crosstalk 過程中，V_GS波形的正向尖峰顯著超過了器件的 V_GS (th)，理應(yīng)造成器件誤導(dǎo)通進(jìn)而導(dǎo)致橋臂短路，但測試中并未發(fā)生。

2. 在正向 Crosstalk 過程中，V_GS波形出現(xiàn)了很大的負(fù)向尖峰并且也顯著超過了器件柵極耐壓值，這與Crosstalk的原理是不相符的。

3. 在負(fù)向Crosstalk過程中，V_GS波形的負(fù)向尖峰顯著超過了器件柵極耐壓值，會影響器件柵極壽命或?qū)е缕渲苯訐舸?

4. 在負(fù)向Crosstalk過程中，V_GS 波形出現(xiàn)了很大的正向尖峰，這與Crosstalk的原理是不相符的。

5.  V_GS波形的噪聲很大顯得很粗。

看到這樣波形會產(chǎn)生以下困惑：

1. 根據(jù)測量結(jié)果，正向Crosstalk時應(yīng)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(jié)果是應(yīng)該繼續(xù)改進(jìn)電路設(shè)計(jì)還是能夠被變換器接受？

2. 正向Crosstalk出現(xiàn)了與理論不符的負(fù)向尖峰，負(fù)向Crosstalk出現(xiàn)了與理論不符的正向尖峰，這是怎么回事？是器件自身的問題還是電路設(shè)計(jì)的有誤？

3. V_GS 波形顯得很粗，是驅(qū)動供電電源的輸出紋波過大導(dǎo)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關(guān)過程V_GS波形的震蕩明顯減輕了，都在器件柵極耐壓范圍之內(nèi)，同時波形也變細(xì)了。

從上圖就可以看到，采用光隔離探頭后的Crosstalk過程V_GS波形的震蕩明顯減輕了，正向和負(fù)向減分也都在可接受范圍之內(nèi)，沒有出現(xiàn)與理論不相符的情況。

可見如果我們繼續(xù)糾結(jié)之前使用高壓差分探頭的測試結(jié)果，就是在用錯誤的波形自尋煩惱，最終只能是白白浪費(fèi)了時間和精力，在使用光隔離探頭后所有問題就都迎刃而解了。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(shù)值越小，共模抑制能力越強(qiáng)。高壓差分探頭也是具有共模抑制能力的，只是會隨著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極快的開關(guān)速度就導(dǎo) 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(nèi)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，這將導(dǎo)致兩個問題：一是長接線在測量回路中可以看作是電感，會引起被測電流中不存在的震蕩；二是長接線圍成的回路可以看作是一個天線，會接收器件在開關(guān)過程中快速變化的電流產(chǎn)生的磁場，導(dǎo)致測量結(jié)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距離更短、測量接線圍成的面積更小，從而避免上述問題導(dǎo)致的測量結(jié)果錯誤。

3. 高共模范圍低衰減倍數(shù)

在使用高壓差分探頭時，為了應(yīng)對SiC、GaN的高母線電壓，就需要設(shè)置探頭為高衰減比，而高衰減比就會導(dǎo)致測量量化誤差增大、測量系統(tǒng)噪聲增大，這就導(dǎo)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(dú)立的，即在能夠承受高共模電壓時，也可以通過選擇小衰減比的探頭前端來提高測量的精度，測得的波形顯得更細(xì)。

通過以上內(nèi)容可以看到光隔離探頭在對半橋電路中上橋臂器件驅(qū)動電壓 V_GS的測量中具有優(yōu)異的表現(xiàn)，其實(shí)，對于下橋臂器件驅(qū)動電壓V_GS的測量也是非常給力的。通過下圖可以看出，即使是沒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。

來源：公眾號【功率器件顯微鏡】