引言

由于潛在的人身危險和設備損壞，以及不同材料高壓半導體的需求差異，探測高壓電路面臨著獨特的挑戰。高壓浮地測量非常危險且難以進行，傳統的無源探頭是不合適的，隔離探頭和高壓差分探頭是可用的選擇。而在這一類別探頭中，又有許多可用的探頭選擇，如何確定哪種是最適合您的應用的高壓示波器探頭？

我們將通過一個真實的示例來展示如何為您的應用選擇合適的高壓探頭，該示例是選擇用于全橋 GaN 半導體電路上進行開關損耗測試的探頭。

三大基本問題

當訪問高壓探頭選擇指南時，將被問到三個基本問題，這些問題決定了探頭在特定應用中是不是正確的選擇。

Q1

直流母線電壓是多少？

直流母線電壓將確定用于測量的探頭所需的最大額定電壓。對于交流線路信號，這是交流線路的峰峰值電壓。在開關功率器件中，母線電壓通常是AC線路全波整流的峰值電壓或來自驅動器/逆變器電路的脈寬調制 (PWM) 信號的幅度。

Q2

什么是半導體器件材料？

硅 (Si)、碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 都是用于半導體器件的常用材料，每種材料對開關信號的上升時間都有其獨特的要求：

? Si 器件通常無法處理快于 10 ns 的上升時間

? SiC 器件的上升時間為 3 到 5 ns 或更慢

? GaN 器件的上升時間約為 1 到 3 ns

電壓擺幅越大，上升時間越慢，這有助于控制 EMI。

為了測量快速上升時間以及一些諧波，探頭需要有足夠的帶寬。例如，要測量 GaN 器件上的柵極驅動信號，所需的探頭帶寬可能接近 1 GHz，而要測量同一 GaN 器件上的輸出信號，所需帶寬可能為 700 MHz 甚至低至 350 MHz。

Q3

有哪些應用？

高壓探頭選擇指南會詢問您的測量應用，提供功率半導體測試、浮地傳感器或系統輸入/輸出測量選項。這種高級分類決定了許多探頭指標的相對重要性，包括電壓范圍、帶寬、衰減和隔離。

功率半導體測試是指對單個功率器件進行的測量。這包括捕獲 MOSFET/IGBT 柵極驅動信號和輸出信號，然后對其進行分析。分析包括死區時間驗證和開關損耗測量。根據測試的半導體器件的不同，理想的探頭特性包括寬電壓范圍、高偏置能力、非常好的 CMRR 和更高的帶寬。

浮地傳感器測量包括探測串聯或分流電阻器、溫度傳感器或分立元件等。這種類型的應用通常對探頭的隔離要較高，因為所涉及的信號通常較小且電壓偏移較大。

系統輸入/輸出測量包括線路側交流電壓、DC/DC 轉換器高低壓輸入輸出、直流母線以及逆變器驅動 PWM 輸出，寬電壓范圍和共模范圍是與此應用相關的探頭的典型特征。

使用高壓探頭選擇指南

力科提供了這種簡單的方法來幫助您根據特定應用選擇高壓探頭。打開高壓探頭選擇指南，回答三個基本問題，將獲得對于高壓探頭的推薦，并附上我們選擇背后的理由。

選擇指南使用簡單的顏色編碼方案對每個探頭的適用性進行評級：

? 黑色：絕對不能將探頭用于此應用，因為可能會損壞探頭、示波器或被測設備 (DUT)，或對操作員造成傷害。

? 紅色：此應用中使用探頭可能是安全的，但它可能無法提供良好的測量結果。

? 黃色：在此應用中，探頭的性能存在一些折衷，但一些用戶可能會發現這些探頭對他們來說是合適的。

? 綠色：這是完美的探頭，它的使用幾乎沒有問題，并且針對此應用在價格和性能方面進行了優化。有時，它可能是唯一安全的選擇。

讓我們來看看如何使用高壓探頭選擇指南，來選擇合適的探頭測試使用 260 V DC 總線的功率半導體。

選擇正確高壓探頭實例

要測試的電路是一個全橋拓撲結構，使用四個寬禁帶（在本例中為 GaN）金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET)。需要測量的是確定 MOSFET 的開關損耗。有兩個下側MOSFET 和兩個上測MOSFET，如下圖所示。

根據以上信息：

? 直流母線電壓選擇為 170 – 1000 Vdc

? 半導體器件材料選擇是寬禁帶（SiC 或 GaN）

? 應用選擇是功率半導體測試。

再將這些信息輸入高壓探頭選擇指南，如下圖所示。

01

考慮不同應用對探頭的要求

結果顯示在一個矩陣中，顯示了所考慮的應用的子類別以及每個應用所考慮的 HV 探頭。

在本例中，高壓探頭選擇指南選擇了 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）。

DL-ISO 是一種新型探頭，專為測量浮在高壓直流總線上的小信號而設計，它具有類似于 Tektronix IsoVu 的光隔離特性。HVD 系列高壓差分探頭是采用傳統設計的高質量高壓差分探頭，選擇指南指示該探頭可能可用（黃色）。

每個選項附帶的注釋提供了結果的簡要原因，在標有字母“i”的按鈕后面提供了更多信息。

Q

為什么功率半導體器件測量面臨很大的挑戰，為什么選擇DL-ISO探頭？

? 測量下側MOSFET相對容易，因為它們以地為參考。可以使用單端無源探頭，但不推薦使用，因為很容易不小心探測到電路的高壓 (HV) 部分，從而損壞探頭、示波器或被測設備，或對操作人員造成傷害。

? 測量上側MOSFET比較困難，因為它們以非零電壓為基準。這稱為浮地測量。這排除了使用接地參考的單端探頭，因為它們會使 DUT 短路。此測量需要高壓差分或單端隔離探頭。

? 上側MOSFET測量受益于光隔離探頭（如DL-ISO）的高CMMR，有助于消除來自下側器件的開關干擾。

? 在測量寬禁帶器件（例如 GaN 和 SiC）時，還需要高帶寬以適應這些器件支持的更快上升時間。

測量上下MOSFET可以全面了解系統的行為。除了評估開關損耗外，設計人員還將評估時序，以了解是否有同時開啟上下管的可能，這會導致短路（擊穿）。因此，必須有一個能夠充分執行上管測量的探頭。

對于上管MOSFET中的浮地測量，單端無源探頭是一個糟糕的選擇（黑色），在浮地電路環境中使用時存在安全隱患，這就是將它具有標記為黑色分類的原因。

HVD探頭是比無源探頭更好的選擇，但由于其輸入電容，它可能會加重電路的負載。對于較快的寬禁帶器件，尤其是示例中使用的 GaN 器件，它也可能沒有足夠的帶寬。使用這種類型的探頭會有一些折衷，但一些用戶可能會發現這些探頭可以很好地滿足他們的特定測量需求。

DL-ISO是最佳選擇的原因之一是探頭的CMRR。DL-ISO系列在 DC 下的 CMRR 為 160 dB，在更高頻率下的 CMRR 也明顯高于其他探頭。HVD 探頭在直流時的 CMRR 為 85 dB，在 1 MHz 時為 65 dB。雖然 HVD 系列探頭與傳統的 HV 差分探頭相比具有出色的 CMRR，并且根據器件和電路的不同，其性能也可以接受，但其 CMRR 不如 DL-ISO 好，而且它的帶寬遠低于 1 GHz。

最后，DL-ISO系列探頭提供高達 1 GHz 的帶寬，可以滿足 GaN 器件的要求。HVD 系列探頭的帶寬最高 400 MHz，更接近于 SiC 或硅 (Si) 功率半導體器件的帶寬要求。

此類功率器件測量的最佳選擇是單端光纖隔離探頭。其單端配置可最大限度地減小負載，從而提供更好的信號保真度。探頭隔離電路不易受到瞬變的影響。它在高頻下具有更好的 CMRR，這對于使用寬禁帶半導體（如本例中的 GaN MOSFET）的電路很重要。與探頭的隔離電路相結合，可實現更準確的上管測量。

02

實際測試對比

為了證明這一點，讓我們比較使用 DL-ISO 探頭和 HVD 探頭捕獲的 Vds（MOSFET 漏源）信號。DL-ISO 探頭（下圖中的紅色波形）連接到一個上側 MOSFET 的柵極。HVD 探頭（藍色跡線）連接到另一個上側 MOSFET 的柵極。可以同時進行觀察，而且探頭不會因加載電路而相互影響，如果它們連接到同一測量點就會出現相互影響的情況。

請注意，HVD 探頭在邊沿轉換上表現出小的過沖。這種過沖很可能是由于 HVD 探頭的 CMRR 低于 DL-ISO。DL-ISO 探頭的信號中沒有明顯的過沖， DL-ISO 探頭的光學耦合提供了最佳的 CMRR 性能，有助于抑制來自電路其他地方的瞬變的影響。

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編輯：黃飛

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