今日觀點!破解SiC、GaN柵極動態測試難題的魔法棒 — 光隔離探頭

2022-07-02 05:39:32 來源: 公眾號【功率器件顯微鏡】

SiC、GaN 作為最新一代功率半導體器件具有遠優于傳統 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成本。但同時，SiC、GaN極快的開關速度也給工程師帶來了使用和測量的挑戰，稍有不慎就無法獲得正確的波形，從而嚴重影響到器件評估的準確、電路設計的性能和安全、項目完成的速度。

(資料圖)

SiC、GaN動態特性測量中，最難的部分就是對半橋電路中上橋臂器件驅動電壓V_GS的測量，包括兩個部分：開關過程和Crosstalk。此時是無法使用無源探頭進行測量的，這會導致設備和人員危險，同時還會由于跳變的共模電壓而無法獲得準確的結果。通常情況下，我們會選擇高壓差分探頭來進行測量。

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過程V_GS進行測量，其結果如下：

從上邊的V_GS波形可以發現測量結果存在以下幾個問題 :

1. ?V_GS波形的震蕩比較嚴重，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。

看到這樣波形會產生以下困惑：

1. 這樣的 V_GS波形震蕩在電路應用中不可接受的，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計的有誤？

2. ?V_GS波形顯得很粗，是驅動供電電源的輸出紋波過大導致的么？

使用高壓差分探頭對上橋臂器件 Crosstalk 過程V_GS進行測量，其結果如下：

從上邊的 V_GS波形可以發現測量結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)，理應造成器件誤導通進而導致橋臂短路，但測試中并未發生。

2. 在正向 Crosstalk 過程中，V_GS波形出現了很大的負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. 在負向Crosstalk過程中，V_GS波形的負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導致其直接擊穿。

4. 在負向Crosstalk過程中，V_GS波形出現了很大的正向尖峰，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。

看到這樣波形會產生以下困惑：

1. 根據測量結果，正向Crosstalk時應該發生橋臂短路，但實際并未發生，這是為什么？這樣的結果是應該繼續改進電路設計還是能夠被變換器接受？

2. 正向Crosstalk出現了與理論不符的負向尖峰，負向Crosstalk出現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計的有誤？

3. V_GS波形顯得很粗，是驅動供電電源的輸出紋波過大導致的么？

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，同時波形也變細了。

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，正向和負向減分也都在可接受范圍之內，沒有出現與理論不相符的情況。

可見如果我們繼續糾結之前使用高壓差分探頭的測試結果，就是在用錯誤的波形自尋煩惱，最終只能是白白浪費了時間和精力，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，數值越小，共模抑制能力越強。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極快的開關速度就導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生不存在的波形震蕩。

2. 最小測量環路

高壓差分探頭的前端是兩根十幾cm的接線，這將導致兩個問題：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，會接收器件在開關過程中快速變化的電流產生的磁場，導致測量結果錯誤。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致的測量結果錯誤。

3. 高共模范圍低衰減倍數

在使用高壓差分探頭時，為了應對SiC、GaN的高母線電壓，就需要設置探頭為高衰減比，而高衰減比就會導致測量量化誤差增大、測量系統噪聲增大，這就導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。

通過以上內容可以看到光隔離探頭在對半橋電路中上橋臂器件驅動電壓 V_GS的測量中具有優異的表現，其實，對于下橋臂器件驅動電壓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】

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關鍵詞：測量結果共模電壓電路設計開關速度共模抑制比

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