如何為您的應(yīng)用選擇合適的高壓示波器探頭

引言

由于潛在的人身危險(xiǎn)和設(shè)備損壞，以及不同材料高壓半導(dǎo)體的需求差異，探測(cè)高壓電路面臨著獨(dú)特的挑戰(zhàn)。高壓浮地測(cè)量非常危險(xiǎn)且難以進(jìn)行，傳統(tǒng)的無(wú)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(lèi)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(yīng)用的高壓示波器探頭？

我們將通過(guò)一個(gè)真實(shí)的示例來(lái)展示如何為您的應(yīng)用選擇合適的高壓探頭，該示例是選擇用于全橋 GaN 半導(dǎo)體電路上進(jìn)行開(kāi)關(guān)損耗測(cè)試的探頭。

三大基本問(wèn)題

當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)高壓探頭選擇指南時(shí)，將被問(wèn)到三個(gè)基本問(wèn)題，這些問(wèn)題決定了探頭在特定應(yīng)用中是不是正確的選擇。

直流母線(xiàn)電壓是多少？

直流母線(xiàn)電壓將確定用于測(cè)量的探頭所需的最大額定電壓。對(duì)于交流線(xiàn)路信號(hào)，這是交流線(xiàn)路的峰峰值電壓。在開(kāi)關(guān)功率器件中，母線(xiàn)電壓通常是AC線(xiàn)路全波整流的峰值電壓或來(lái)自驅(qū)動(dòng)器/逆變器電路的脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)的幅度。

什么是半導(dǎo)體器件材料？

硅 (Si)、碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 都是用于半導(dǎo)體器件的常用材料，每種材料對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)的上升時(shí)間都有其獨(dú)特的要求：

? Si 器件通常無(wú)法處理快于 10 ns 的上升時(shí)間

? SiC 器件的上升時(shí)間為 3 到 5 ns 或更慢

? GaN 器件的上升時(shí)間約為 1 到 3 ns

電壓擺幅越大，上升時(shí)間越慢，這有助于控制 EMI。

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

有哪些應(yīng)用？

高壓探頭選擇指南會(huì)詢(xún)問(wèn)您的測(cè)量應(yīng)用，提供功率半導(dǎo)體測(cè)試、浮地傳感器或系統(tǒng)輸入/輸出測(cè)量選項(xiàng)。這種高級(jí)分類(lèi)決定了許多探頭指標(biāo)的相對(duì)重要性，包括電壓范圍、帶寬、衰減和隔離。

功率半導(dǎo)體測(cè)試是指對(duì)單個(gè)功率器件進(jìn)行的測(cè)量。這包括捕獲 MOSFET/IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行分析。分析包括死區(qū)時(shí)間驗(yàn)證和開(kāi)關(guān)損耗測(cè)量。根據(jù)測(cè)試的半導(dǎo)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(cè)量包括探測(cè)串聯(lián)或分流電阻器、溫度傳感器或分立元件等。這種類(lèi)型的應(yīng)用通常對(duì)探頭的隔離要較高，因?yàn)樗婕暗男盘?hào)通常較小且電壓偏移較大。

系統(tǒng)輸入/輸出測(cè)量包括線(xiàn)路側(cè)交流電壓、DC/DC 轉(zhuǎn)換器高低壓輸入輸出、直流母線(xiàn)以及逆變器驅(qū)動(dòng) PWM 輸出，寬電壓范圍和共模范圍是與此應(yīng)用相關(guān)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(jiǎn)單的方法來(lái)幫助您根據(jù)特定應(yīng)用選擇高壓探頭。打開(kāi)高壓探頭選擇指南，回答三個(gè)基本問(wèn)題，將獲得對(duì)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(jiǎn)單的顏色編碼方案對(duì)每個(gè)探頭的適用性進(jìn)行評(píng)級(jí)：

? 黑色：絕對(duì)不能將探頭用于此應(yīng)用，因?yàn)榭赡軙?huì)損壞探頭、示波器或被測(cè)設(shè)備 (DUT)，或?qū)Σ僮鲉T造成傷害。

? 紅色：此應(yīng)用中使用探頭可能是安全的，但它可能無(wú)法提供良好的測(cè)量結(jié)果。

? 黃色：在此應(yīng)用中，探頭的性能存在一些折衷，但一些用戶(hù)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這些探頭對(duì)他們來(lái)說(shuō)是合適的。

? 綠色：這是完美的探頭，它的使用幾乎沒(méi)有問(wèn)題，并且針對(duì)此應(yīng)用在價(jià)格和性能方面進(jìn)行了優(yōu)化。有時(shí)，它可能是唯一安全的選擇。

讓我們來(lái)看看如何使用高壓探頭選擇指南，來(lái)選擇合適的探頭測(cè)試使用 260 V DC 總線(xiàn)的功率半導(dǎo)體。

選擇正確高壓探頭實(shí)例

要測(cè)試的電路是一個(gè)全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用四個(gè)寬禁帶（在本例中為 GaN）金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。需要測(cè)量的是確定 MOSFET 的開(kāi)關(guān)損耗。有兩個(gè)下側(cè)MOSFET 和兩個(gè)上測(cè)MOSFET，如下圖所示。

根據(jù)以上信息：

? 直流母線(xiàn)電壓選擇為 170 – 1000 Vdc

? 半導(dǎo)體器件材料選擇是寬禁帶（SiC 或 GaN）

? 應(yīng)用選擇是功率半導(dǎo)體測(cè)試。

再將這些信息輸入高壓探頭選擇指南，如下圖所示。

考慮不同應(yīng)用對(duì)探頭的要求

結(jié)果顯示在一個(gè)矩陣中，顯示了所考慮的應(yīng)用的子類(lèi)別以及每個(gè)應(yīng)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(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)損耗測(cè)量的最佳探測(cè)選項(xiàng)（綠色）。

DL-ISO 是一種新型探頭，專(zhuān)為測(cè)量浮在高壓直流總線(xiàn)上的小信號(hào)而設(shè)計(jì)，它具有類(lèi)似于 Tektronix IsoVu 的光隔離特性。HVD 系列高壓差分探頭是采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的高質(zhì)量高壓差分探頭，選擇指南指示該探頭可能可用（黃色）。

每個(gè)選項(xiàng)附帶的注釋提供了結(jié)果的簡(jiǎn)要原因，在標(biāo)有字母“i”的按鈕后面提供了更多信息。

為什么功率半導(dǎo)體器件測(cè)量面臨很大的挑戰(zhàn)，為什么選擇DL-ISO探頭？

? 測(cè)量下側(cè)MOSFET相對(duì)容易，因?yàn)樗鼈円缘貫閰⒖肌？梢允褂脝味藷o(wú)源探頭，但不推薦使用，因?yàn)楹苋菀撞恍⌒奶綔y(cè)到電路的高壓 (HV) 部分，從而損壞探頭、示波器或被測(cè)設(shè)備，或?qū)Σ僮魅藛T造成傷害。

? 測(cè)量上側(cè)MOSFET比較困難，因?yàn)樗鼈円苑橇汶妷簽榛鶞?zhǔn)。這稱(chēng)為浮地測(cè)量。這排除了使用接地參考的單端探頭，因?yàn)樗鼈儠?huì)使 DUT 短路。此測(cè)量需要高壓差分或單端隔離探頭。

? 上側(cè)MOSFET測(cè)量受益于光隔離探頭（如DL-ISO）的高CMMR，有助于消除來(lái)自下側(cè)器件的開(kāi)關(guān)干擾。

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

測(cè)量上下MOSFET可以全面了解系統(tǒng)的行為。除了評(píng)估開(kāi)關(guān)損耗外，設(shè)計(jì)人員還將評(píng)估時(shí)序，以了解是否有同時(shí)開(kāi)啟上下管的可能，這會(huì)導(dǎo)致短路（擊穿）。因此，必須有一個(gè)能夠充分執(zhí)行上管測(cè)量的探頭。

對(duì)于上管MOSFET中的浮地測(cè)量，單端無(wú)源探頭是一個(gè)糟糕的選擇（黑色），在浮地電路環(huán)境中使用時(shí)存在安全隱患，這就是將它具有標(biāo)記為黑色分類(lèi)的原因。

HVD探頭是比無(wú)源探頭更好的選擇，但由于其輸入電容，它可能會(huì)加重電路的負(fù)載。對(duì)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(méi)有足夠的帶寬。使用這種類(lèi)型的探頭會(huì)有一些折衷，但一些用戶(hù)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這些探頭可以很好地滿(mǎn)足他們的特定測(cè)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(shí)的 CMRR 為 85 dB，在 1 MHz 時(shí)為 65 dB。雖然 HVD 系列探頭與傳統(tǒng)的 HV 差分探頭相比具有出色的 CMRR，并且根據(jù)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(yuǎn)低于 1 GHz。

最后，DL-ISO系列探頭提供高達(dá) 1 GHz 的帶寬，可以滿(mǎn)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(dǎo)體器件的帶寬要求。

此類(lèi)功率器件測(cè)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(fù)載，從而提供更好的信號(hào)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(duì)于使用寬禁帶半導(dǎo)體（如本例中的 GaN MOSFET）的電路很重要。與探頭的隔離電路相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的上管測(cè)量。

實(shí)際測(cè)試對(duì)比

為了證明這一點(diǎn)，讓我們比較使用 DL-ISO 探頭和 HVD 探頭捕獲的 Vds（MOSFET 漏源）信號(hào)。DL-ISO 探頭（下圖中的紅色波形）連接到一個(gè)上側(cè) MOSFET 的柵極。HVD 探頭（藍(lán)色跡線(xiàn)）連接到另一個(gè)上側(cè) MOSFET 的柵極?？梢酝瑫r(shí)進(jìn)行觀察，而且探頭不會(huì)因加載電路而相互影響，如果它們連接到同一測(cè)量點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)相互影響的情況。

請(qǐng)注意，HVD 探頭在邊沿轉(zhuǎn)換上表現(xiàn)出小的過(guò)沖。這種過(guò)沖很可能是由于 HVD 探頭的 CMRR 低于 DL-ISO。DL-ISO 探頭的信號(hào)中沒(méi)有明顯的過(guò)沖， DL-ISO 探頭的光學(xué)耦合提供了最佳的 CMRR 性能，有助于抑制來(lái)自電路其他地方的瞬變的影響。

編輯：黃飛

閱讀全文