寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體材料，如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)這些材料不僅在耐高溫和耐高壓方面表現(xiàn)出色，還具備低損耗、快速開(kāi)關(guān)頻率等特性。然而，要充分發(fā)揮這些先進(jìn)材料的潛力，精確的測(cè)試和測(cè)量技術(shù)至關(guān)重要。特別是在雙脈沖測(cè)試中，光隔離探頭不僅確保了測(cè)試的安全性，還提高了測(cè)試測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。本文將深入探討光隔離探頭在雙脈沖測(cè)試中不可或缺的原因。

雙脈沖測(cè)試的作用

雙脈沖測(cè)試（DPT）是一種用于評(píng)估電力電子器件如IGBT（絕緣柵雙極晶體管）或MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）等功率器件的開(kāi)關(guān)性能的實(shí)驗(yàn)方法。該測(cè)試通過(guò)向器件施加兩個(gè)短時(shí)間的電壓脈沖，模擬器件在實(shí)際電路中的開(kāi)關(guān)過(guò)程，進(jìn)而測(cè)量和分析器件的開(kāi)關(guān)特性，優(yōu)化器件的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用設(shè)計(jì)，并用于故障診斷和仿真模型的驗(yàn)證。

雙脈沖測(cè)試中示波器與探頭的選擇

以MOSFET的半橋柵極驅(qū)動(dòng)電路為例，我們需要測(cè)試下管的Vds、Id 和 Vgs，同時(shí)也需要觀察上管的Vgs。選用麥科信MHO高分辨率示波器3系，500MHz帶寬，3GSa/s采樣率，≤1%的精度，4個(gè)通道可以支持同時(shí)觀察上下管的開(kāi)關(guān)，正好滿足DPT的測(cè)試需求。

如果要準(zhǔn)確的準(zhǔn)確地測(cè)量Id波形，要保證使用的電流探頭有足夠的帶寬?？梢钥紤]麥科信高頻交直流電流探頭CP系列，它具有高達(dá)100MHz的帶寬，精度在1%之內(nèi)，分辨率能夠達(dá)到1mA，提供最大30A的測(cè)量范圍。對(duì)于更大電流的測(cè)試需求，可使用圖中羅氏線圈RCP系列。

但發(fā)現(xiàn)不少用戶產(chǎn)生疑問(wèn)：“之前一直使用的麥科信MDP系列高壓差分探頭，在測(cè)試硅器件的時(shí)候表現(xiàn)很好，7000V的電壓都能測(cè)，帶寬也不低（500MHz），現(xiàn)在切換到GaN、SiC器件了，按說(shuō)可以滿足這些器件的帶寬指標(biāo)參數(shù)了，測(cè)試下管也可以，但為什么測(cè)試上管的電壓總出問(wèn)題？”

碳化硅（SiC）和氮化鎵(GaN)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間

通過(guò)上圖數(shù)據(jù)分析對(duì)比后我們發(fā)現(xiàn)，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的開(kāi)關(guān)速度都達(dá)到了ns級(jí)別，這一特點(diǎn)的顯著優(yōu)勢(shì)，就是降低了開(kāi)關(guān)電源的能耗，但這也給測(cè)試帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。在半橋電路中，上管Vgs電壓懸浮在不斷導(dǎo)通與關(guān)斷的下管Vds， Vds電壓在幾個(gè)納秒的時(shí)間內(nèi)就能完成零伏到上千伏的跳變，高壓疊加高頻，使得高次諧波分量顯著增加。而我們的被測(cè)對(duì)象Vgs的差模電壓往往只有十幾伏，它會(huì)顯著受到Vds高次諧波分量部分帶給它的共模干擾，我們?cè)跍y(cè)量的時(shí)候需要盡量抑制這個(gè)共模干擾，這就要求測(cè)試設(shè)備在高頻段依然具備很高的共模抑制能力，這個(gè)參數(shù)指標(biāo)叫做共模抑制比（CMRR)。

以客戶提到的麥科信MDP系列為例，在100KHz時(shí)，CMRR＞-70dB；在20MHz時(shí)，CMRR＞-40dB；120MHz時(shí)，CMRR為>-26dB，對(duì)于差分探頭而言，這個(gè)CMRR在同行里已經(jīng)非常優(yōu)秀，但滿足我們測(cè)量上管Vgs的要求還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，我們需要一個(gè)測(cè)試設(shè)備在高頻段依然具有很高的CMRR。

高壓差分探頭和光隔離探頭實(shí)測(cè)對(duì)比

關(guān)于CMRR對(duì)測(cè)試的影響，我們做個(gè)對(duì)比，看看高壓差分探頭在測(cè)試時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題，以及具有高CMRR的探頭測(cè)試對(duì)比情況：

碳化硅IGBT雙脈沖測(cè)試，光隔離探頭和差分探頭同時(shí)連接上橋臂Vge接線圖

測(cè)試方式：被測(cè)器件SiC開(kāi)關(guān)，具有上、下管，Vce電壓500V左右，同時(shí)使用高壓差分探頭和光隔離探頭（使用麥科信光隔離探頭MOIP系列）同時(shí)連接上管Vge信號(hào)，進(jìn)行雙脈沖測(cè)試。

碳化硅IGBT雙脈沖測(cè)試，光隔離探頭（紅色波形）和差分探頭（白色波形）同時(shí)測(cè)量上橋臂Vge波形圖

上圖為測(cè)試結(jié)果圖，圖中白色信號(hào)是高壓差分探頭測(cè)試結(jié)果，可以看到在Vge上升時(shí)刻，上下震蕩劇烈，幾乎分辨不出本來(lái)的波形；我們?cè)褂酶邏翰罘痔筋^測(cè)試過(guò)一個(gè)Vce電壓達(dá)到800V時(shí)的上管Vge信號(hào)，震蕩已經(jīng)超過(guò)了SiC的關(guān)斷電壓，會(huì)嚴(yán)重影響工程師的判斷。

而圖中紅色的波形是采用光隔離探頭測(cè)試的，信號(hào)的干擾就小多了。如果采用光隔離探頭單獨(dú)測(cè)試的話，幾乎沒(méi)有干擾，這上面看到的干擾是高壓差分探頭對(duì)光隔離探頭造成的影響。事實(shí)上，光隔離探頭其底噪相對(duì)于高壓差分探頭更低，精度更高，能夠測(cè)到的共模電壓也更大。這是怎么做到的呢？

光隔離探頭的優(yōu)勢(shì)

麥科信采用獨(dú)家SigOFIT?技術(shù)，測(cè)試之前選擇適合被測(cè)信號(hào)大小的衰減器，使得能夠滿量程測(cè)試從±0.01V至±6250V的差模信號(hào)，在適應(yīng)大范圍測(cè)試的同時(shí)提高測(cè)試精度（達(dá)到1%），降低底噪，將信噪比提高。

麥科信光隔離探頭MOIP系列參數(shù)表

麥科信MOIP系列光隔離探頭，最高可達(dá)1GHz的帶寬，其最小底噪可以達(dá)到0.45mVrms以內(nèi)。在1GHz頻段，CMRR依然高達(dá)100dB以上。因此，使用光隔離探頭測(cè)量上管Vgs就無(wú)需再考慮共模干擾的影響，完美解決了高壓差分探頭CMRR不足的問(wèn)題。

麥科信光隔離探頭MOIP系列

此外，差分探頭由于引線長(zhǎng)（一般在20cm左右），這兩根輸入線可以看作是一個(gè)天線，會(huì)接收外界的磁場(chǎng)干擾，由于氮化鎵的開(kāi)關(guān)速度極快，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)穿過(guò)高壓差分探頭輸入端時(shí)就會(huì)導(dǎo)致震蕩，有時(shí)候這個(gè)震蕩超過(guò)了一定極限，就會(huì)引起氮化鎵器件瞬間燒毀炸管。而光隔離探頭采用MCX或MMCX連接，引線極短，幾乎沒(méi)有天線效應(yīng)，寄生電容在幾pF以內(nèi)，斷絕了測(cè)試導(dǎo)致的寄生產(chǎn)生的安全隱患。

總結(jié)

綜上所述，光隔離探頭在各方面性能上其實(shí)已經(jīng)全面超越了差分探頭，而對(duì)于有需求進(jìn)行雙脈沖實(shí)驗(yàn)的用戶，麥科信光隔離探頭更是不二之選。

審核編輯 黃宇