選擇用於 SiC/GaN 功率半導體器件測量的高壓示波器探頭
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| 圖 1：使用兩種不同的探頭拓撲捕獲的寬頻隙 （GaN） 功率半導體器件 波形。 按兩下任何圖像以展開。 |
在我們的上一篇文章中，我們向您介紹了Teledyne LeCroy網站上的一個新工具：高壓探頭選擇指南。為了展示該指南的優勢，讓我們進一步探討在選擇用於功率半導體器件測量的高壓示波器探頭時必須考慮的事項。
為什麼功率半導體器件測量具有挑戰性？
- 測量下側功率半導體器件（MOSFET或IGBT）相對容易，因為它們以地為基準。
可以使用單端無源探頭，但不建議使用，因為它很容易不小心探測電路的高壓部分，損壞探頭、示波器或被測設備，或對操作人員造成傷害。
- 測量上側功率半導體器件比較困難，因為它們以非零電壓為基準。
這稱為浮動測量。這排除了使用以地面為參考的單端探頭，因為它們會使DUT短路。這種測量需要高壓差分或單端隔離探頭。
- 上側功率半導體器件測量受益於光隔離探頭（如 DL-ISO 或泰克 ® IsoVu™）的高共模抑制比 （CMMR），有助於抵抗來自下側器件的開關干擾。
- 在測量氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）等寬頻隙器件時，可能還需要高頻寬，以適應這些器件支援的更快上升時間。
同時測量高功率和低功率半導體器件可以全面了解設計行為。除了評估開關損耗外，設計人員還將評估時序，以瞭解是否有足夠的死區時間裕量來排除上部和下部器件同時導通的任何可能性，這會導致短路（直通）。
因此，必須有一個能夠充分執行上側測量的探頭。
使用高壓探頭選擇指南進行選擇
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| 圖 2：全橋 寬頻隙 （GaN） 晶體管的拓撲結構。 |
待測電路是使用四個寬頻隙（在本例中為GaN）金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的全橋拓撲。所需的測量是確定 MOSFET 的開關損耗。
有兩個下側MOSFET和兩個上側MOSFET，如圖2所示。
根據這些資訊，我們在高壓探頭選擇指南（圖3）上進行了三個簡單的選擇：
- 直流母線電壓 = 170 – 1000 Vdc
- 半導體元件材料 = 寬頻隙（SiC 或 GaN）
- 應用 = 功率半導體測試
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| 圖 3：在 260 Vdc 總線寬带隙 （GaN） 晶體管上進行測試的選擇。 |
該指南選擇DL-ISO系列高壓光隔離探頭作為柵極驅動和開關損耗測量的最佳探測選項（綠色）。
HVD系列高壓差分探頭是比單端無源探頭更好的選擇，但由於其輸入電容，它可能會導致電路負載。對於更快的寬頻隙器件，特別是示例中使用的GaN器件，它也可能沒有足夠的頻寬。
使用這種類型的探頭有一些折衷，但一些使用者可能會發現探頭可以很好地滿足他們的特定測量需求。
DL-ISO是最佳選擇的一個原因是探頭的CMRR。
DL-ISO 系列在直流時的 CMRR 為 160 dB，在較高頻率下，CMRR 明顯高於其他探頭
。
HVD 探頭在直流時的 CMRR 為 85 dB，在 1 MHz 時為 65 dB。
雖然HVD系列探頭與傳統高壓差分探頭相比具有出色的CMRR，並且根據設備和電路的不同，其性能可能很好，但CMRR不如DL-ISO，並且頻寬遠低於1 GHz。
最後，DL-ISO系列提供高達1 GHz的頻寬，以滿足GaN器件的要求。
HVD 系列探頭的頻寬高達 400 MHz，更接近 SiC 或矽 （Si） 功率半導體器件的頻寬要求。
此類功率器件測量的最佳選擇是單端光纖隔離探頭。其單端配置最大限度地減少了負載，從而提供了更好的信號保真度。
探頭隔離電路不易拾取瞬變。
它在高頻下具有更好的CMRR，這對於使用寬頻隙半導體（如本例中的GaN MOSFET）的電路非常重要。這與探頭的隔離電路相結合，可實現更準確的上側測量。
真實世界的捕獲比較
為了證明這一點，讓我們比較一下使用 DL-ISO 探頭和 HVD 探頭捕獲的 Vds（MOSFET 漏源）信號（圖 1）。
DL-ISO 探頭（洋紅色走線）連接到其中一個上側 MOSFET 的柵極。
HVD探頭（藍色跡線）連接到另一個上側MOSFET的柵極。
這允許同時觀察，而不會通過載入電路來使探頭相互影響，如果它們連接到同一測量點，就會發生這種情況。
請注意，HVD探頭在邊緣過渡處表現出一個小的過沖。
這種過沖很可能是由於與DL-ISO相比，HVD探頭的CMRR較低。
在DL-ISO探頭的信號中沒有明顯的過沖。
DL-ISO探頭的光耦合提供了最佳的CMRR性能，有助於抑制來自電路中其他部位的電氣瞬變。
