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和設(shè)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(zhàn)。高壓浮地測量非常危險且難以進行，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 半導體電路上進行開關(guān)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(yīng)用中是不是正確的選擇。

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(guān)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(qū)動器/逆變器電路的脈寬調(diào)制 (PWM) 信號的幅度。

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(guān)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(qū)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。

有哪些應(yīng)用？

高壓探頭選擇指南會詢問您的測量應(yīng)用，提供功率半導體測試、浮地傳感器或系統(tǒng)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(qū)動信號和輸出信號，然后對其進行分析。分析包括死區(qū)時間驗證和開關(guān)損耗測量。根據(jù)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(lián)或分流電阻器、溫度傳感器或分立元件等。這種類型的應(yīng)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(tǒng)輸入/輸出測量包括線路側(cè)交流電壓、DC/DC 轉(zhuǎn)換器高低壓輸入輸出、直流母線以及逆變器驅(qū)動 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

力科提供了這種簡單的方法來幫助您根據(jù)特定應(yīng)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(yīng)用，因為可能會損壞探頭、示波器或被測設(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，但它可能無法提供良好的測量結(jié)果。

? 黃色：在此應(yīng)用中，探頭的性能存在一些折衷，但一些用戶可能會發(fā)現(xiàn)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(yīng)用在價格和性能方面進行了優(yōu)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(jié)構(gòu)，使用四個寬禁帶（在本例中為 GaN）金屬氧化物半導體場效應(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

? 半導體器件材料選擇是寬禁帶（SiC 或 GaN）

? 應(yīng)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。

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，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，在標有字母“i”的按鈕后面提供了更多信息。

為什么功率半導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?？梢允褂脝味藷o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。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(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(jié)合，可實現(xiàn)更準確的上管測量。

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(cè) MOSFET 的柵極。HVD 探頭（藍色跡線）連接到另一個上側(cè) 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(xiàn)相互影響的情況。