【泰克电源设计与测试】致工程师系列之四：宽禁带半导体器件GaN、SiC设计优化验证

从入门到精通，从0到1的全面解密。

作者：泰克科技

第三代宽禁带半导体器件GaN和SiC的出现，推动着功率电子行业发生颠覆式变革。新型开关器件既能实现低开关损耗，又能处理超高速dv/dt转换，且支持超快速开关切换频率，带来的测试挑战也成了工程师的噩梦。

结合泰克新一代示波器，泰克针对性地推出带宽1Ghz、2500V差模、120dB共模抑制比的全面光隔离探头，提供系统优异的抗干扰能力，帮助工程师进行第三代半导体器件的系统级优化设计。工程师在设计电源产品时，优化上下管的驱动条件，从而保证安全的条件下降低损耗，提高转化效率，可以满足宽禁带半导体器件的测试需求。

TIVH高带宽探头测试

在开关技术应用中的桥式驱动上管测试中，普遍会碰到测试驱动信号的正确测试问题，现象表现为波形振荡变大、测试电压值误差大，不利于设计人员的器件评估和选择，其根本的原因在于所使用差分探头的连接和CMRR共模抑制比规格满足不了测量要求问题。泰克的TIVH_差分探头有效的解决了连接、测量带宽、高频CMRR和驱动小信号测量问题。

选择TIVH差分探头的基本原则是以驱动信号的上升时间为依据，仪器系统对被测点的影响小于3%。上管信号测量考虑因素：带宽、电压范围（共模和差模）、CMRR和连接。根据测试驱动信号的上升时间来选择的方案配置如下，探头的带宽最好示波器的带宽一致。基本配置：MDO3K/4K + TIVH02 /TIVH05 /TIVH08； 优化配置MSO5/350/500/1000 + TIVH02 /TIVH05 /TIVH08。

验证SiC、GaN宽禁带器件特性

SiC和GaN越来越广泛的被应用在电源产品中，当测试高压测Vgs导通电压时，因为频率高（快速开、关）以及示波器探头在高带宽下的共模抑制不够而导致不能准确测试。共模抑制差导致测量受到共模电压干扰而很难准确测试实际的差分信号。泰克提供全面光隔离探头（ISOVu）配合高达12位新五系示波器MSO5 成为业内唯一解决方案，高达1GHz的系统带宽满足 GaN 和 SiC。

典型“开”状态测量设置。

此外，还需注意在较高开关频率下对探头电容的影响。探头电容过高将导致上升沿在测量中变缓，从而导致错误的评价高频开关特性。另外，将探头接入极灵敏的浮动门电路信号中，可能导致电容充电产生的瞬态信号损坏设备。IsoVu 探头的低电容也尽量减少门电路上的探头电容问题和瞬态信号损坏设备的风险。

凭借泰克全新5系示波器及 IsoVu 探头，可以准确捕获高侧门电路电压波形，以便评估和优化开关性能和可靠性，而不降低 dV/dt。

松下半导体解决方案案例

松下正在开发超快速、超高频率GaN器件，包括600V等级的器件，这些器件将大大优于SiC和基于硅的器件。潜在的GaN应用包括服务器电源、太阳能逆电器、电动汽车和AC电源适配器；除转换效率高以外，GaN器件还可以缩小电源的外部尺寸，同时在更高频率上工作。

尽管有诸多优势，松下项目团队在开发阶段面临一个极大的问题。其现有的测试设备特别适合硅功率器件，而GaN技术既在高电压下工作，又在很高的频率下运行，因此要求测量系统拥有更高的性能，同时提供更加优异的共模抑制比。使用示波器在氮化镓/GaN功率器件上执行差分测量时，松下半导体面临诸多挑战，特别是其试图评估半桥电路设计的高侧时，普通示波器探头中的寄生电容会使开关波形失真。

松下项目团队一直在努力探索GaN器件的高速开关性能，消除寄生电容的影响。前期使用传统差分探头进行测量没有得到预期结果，波形还会随着探头接入位置不同而明显变化，因此无法进行可重复测量。考虑到这些测试挑战，他们一直使用既耗时又复杂的手动方式，主要是估算高侧电路故障。很显然他们需要一种方式把共模电压与关注的差分信号隔离开，这就需要一种新型探头技术，在高侧电路上直接进行测试。

由于采用创新的光隔离技术，IsoVu探头在被测器件和示波器之间实现了全面电流隔离。IsoVu在100MHz以下时提供了1000000:1的共模抑制比，在1GHz以下时提供10000:1的共模抑制比，且在频率提高时其额定值不会下降。它提供了1GHz带宽和2000V额定共模电压，这种性能组合使得半桥测量成为可能。利用泰克示波器和IsoVu探头现在能够直接观测高侧栅极电压波形，获得了成功开发所需的测量洞察能力。

与其他探头不同，IsoVu采用光电传感器，把输入信号转换成光调制，在电气上把被测器件与示波器隔离。IsoVu采用4个单独的激光器、一个光传感器、5条光纤及完善的反馈和控制技术。IsoVu结构及电流隔离技术在整个频率范围内提供了》2000V peak的耐受电压。IsoVu光隔离解决方案可以支持几千伏的电压上线。

泰克从1946年成立至今70多年的历史，示波器及其电压电流探头的可靠性与稳定性一直是业界公认的选择，示波器是电源设计最常用的仪器，主要用于进行电源设计验证，一般要对输入输出电压或电流的波形进行测试，判定其频率、幅值或相位是否与设计相符合。

泰克为电源原型版设计及调试提供全方位解决方案，除了文中宽禁带半导体SiC和GaN设计测试与优化，还包括MOSFET/IGBT开关损耗、磁性器件损耗、环路响应优化、输出纹波测试等，了解电源测试全过程更多解决方案，https://www.tek.com.cn/power-solution-hub。为帮助设计工程师厘清设计过程中的诸多细节问题，泰克与电源行业专家携手推出“氮化镓电源设计从入门到精通“8节系列直播课，从0到1全面解密电源设计，包括元器件选型、电路设计和PCB布线、电路测试和优化技巧、磁性元器件的设计和优化、环路分析和优化、能效分析和优化、EMC优化和整改技巧、可靠性评估和分析。