如何選擇合適的高壓探頭?

　　一直以來，探測高壓電路都面臨著獨(dú)特的挑戰(zhàn)。高壓浮地測量非常危險且難以進(jìn)行，傳統(tǒng)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(yīng)用的高壓示波器探頭?

　　我們將通過一個真實(shí)的示例來展示如何為您的應(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)行開關(guān)損耗測試的探頭。

　　選擇正確高壓探頭實(shí)例

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

　　根據(jù)以上信息：

　　? 直流母線電壓選擇為 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)體測試。

　　01

　　考慮不同應(yīng)用對探頭的要求

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

　　在本例中，適用于 DL-ISO 系列高壓光隔離探頭作為柵極驅(qū)動和開關(guān)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(shè)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(tǒng)設(shè)計的高質(zhì)量高壓差分探頭，選擇指南指示該探頭可能可用(黃色)。

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

　　Q

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

　　? 測量下側(cè)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(shè)備，或?qū)Σ僮魅藛T造成傷害。

　　? 測量上側(cè)MOSFET比較困難，因為它們以非零電壓為基準(zhǔn)。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(cè)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(cè)器件的開關(guān)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(yīng)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(tǒng)的行為。除了評估開關(guān)損耗外，設(shè)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(dǎo)致短路(擊穿)。因此，必須有一個能夠充分執(zhí)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(huán)境中使用時存在安全隱患，這就是將它具有標(biāo)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(fù)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(fā)現(xiàn)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(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(fù)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(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)確的上管測量。

　　02

　　實(shí)際測試對比

　　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。DL-ISO 探頭(下圖中的紅色波形)連接到一個上側(cè) MOSFET 的柵極。HVD 探頭(藍(lán)色跡線)連接到另一個上側(cè) MOSFET 的柵極。可以同時進(jìn)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(diǎn)就會出現(xiàn)相互影響的情況。

　　請注意，HVD 探頭在邊沿轉(zhuǎn)換上表現(xiàn)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(xué)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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