电源模块相关信号的探测要求

为了获得高质量的表征，需要动态表征宽带隙 （WBG） 晶体管。与分立器件相比，在双脉冲测试系统中测试电源模块需要测量低侧和高侧信号。由于高电压和快速开关，这给隔离和共模 （CM） 抑制带来了新的挑战。本文概述了每个相关信号的探测要求。

动态功率器件分析仪，例如双脉冲测试系统，用于测量功率晶体管或二极管的动态特性。在这样的系统中，需要用示波器测量 V DS、V GS、I D和 I G，如图 1 所示。对于分立器件，可以通过将被测器件 （DUT） 放置在半桥的低端来简化测量要求。这引入了相对较低的 CM 信号。I D可以用高带宽分流器直接测量。

与分立器件相比，电源模块通常包含至少一个半桥。它不是对称构建的，这导致低端和高端的动态行为不同。这使得还需要动态测量低侧和高侧的V DS、 V GS（和 I D、 I G ）。

图 1. 带有探测信号的双脉冲测试示意图。图片由 Bodo‘s Power Systems提供

可以在开关节点处施加接地电位而不是低端晶体管的源极电位，因此对高端测量的要求与对低端测量的要求相对应。然而，同时测量两个阶段是有利的。因此，本文不讨论这种替代方法。

测量高边信号比测量低边信号更难。在下一节中，将比较需求。

探测要求概述

这些要求针对的是在最大 80% 的额定电压 （1.36 kV） 下测试的 1.7 kV SiC 模块，测试电流高达 1000 A。

带宽

转换时间为 8 ns 的晶体管需要 90 MHz 的带宽 （BW）。对于典型环路电感为 30 nH 和输出电容为 60 pF 的振铃测量，所需的带宽为 120 MHz。所需的 BW 不包括用于电流测量的 Rogowski 线圈和 Pearson 探头。

隔离

低端测量的隔离要求不是很严格。分流器通常处于地电位。因此，在测量 4 引脚晶体管时，在开关操作期间，开尔文检测引脚和源极引脚之间会出现电压尖峰。V DS和 V GS是根据 Kelvin sense 测量的，这需要一些隔离。电压尖峰通常在 10 V 至 50 V 范围内，可以根据源电感 L S 和电流压摆率 didtdidt 计算：

V=LS⋅didtV=LS⋅didt高端测量的隔离要求要严格得多。在测试期间，高端信号可能接近地电位，但也可能处于电源电压。因此，在本例中，隔离要求至少为 1.36 kV。对于振铃，30% 的余量是合适的。这导致所有高侧测量的绝缘要求为 1.8 kV。更高的测试电压需要更高的值。

共模范围

共模 （CM） 要求类似于隔离要求。对于低侧信号，CM 瞬态通常在 10 V 至 50 V 范围内。就CM范围而言，高边信号可分为两组。第一组由V DS和ID组成。对于这些信号，要求并不高，因为这些信号可以参考高边晶体管的漏极电位来测量。设计良好的系统具有大容量电容，使电源电压非常稳定。微小的变化，如 5 %（本例中为 68 V）的电源电压在脉冲期间非常缓慢地发生（例如在 50 µs 内）。

第二组高端信号是栅极信号。这些信号以高边晶体管的开尔文检测或源极引脚为参考。这些引脚位于开关节点，因此电压变化与电源电压大致相同。过渡时间内的变化非常快，例如10 ns内达到1.36 kV，这在测量质量方面是一个重大挑战。

共模抑制比

对于电压测量，应测量差分电压。然而，CM 信号也会导致干扰测量信号。对于不同的 CM 抑制比，可以很容易地计算出由 CM 信号引起的无用电压，参见表 1。需要注意的是，探头的 CMRR 很大程度上取决于频率。一般而言，共模抑制比 （CMRR） 会随频率降低。

表 1. 多个 CMRR 的 CM 信号测量电压。

探头的 CMRR 在引入 CM 的频率范围内必须足够高。

如前所述，低端信号的 CM 电压很小（例如 50 V）并且仅在开关转换时出现。对于带分流器的低压侧测量，不引入 CM。对于其他信号，CM 测量的影响理想地小于测量系统的有效分辨率。对于门信号，典型测量范围为 40 V，目标值为 10 位，分辨率为 39 mV。该表显示大约 60 dB 就足够了。对于测量的信号，因此范围要大得多，例如。例如，1.8 kV，导致分辨率为 1.76 V。30 dB 的 CMRR 就足够了。对于两个低端信号，CM 信号都具有高频分量，这使得必须在大频谱上具有高 CMRR。

对于高端信号，情况再次变得更加复杂。对于第一组可参考漏极电位的信号，CM 信号较小。对于 V DS而言，40 dB 的 CMRR 就足够了。I D通常仅导致示波器测量的电压非常小，约为 500 mV 至 5 V。因此，CMRR 要求更为严格。使用与之前相同的有效位数 （ENOB） 会导致 100 dB 的 CMRR 要求。请注意，对于 V DS和 I D，CMRR 要求仅适用于较低频率，例如 1 MHz。

就 CMRR 而言，高端栅极信号通常是最难测量的。在这种情况下，CM 是带有高频分量的电源电压，测量范围通常只有 40 V。这导致分辨率为 36.5 mV，因此 》90 dB 是宽频率范围的理想选择。

请注意，高于上述的 CMRR 不会导致更高的测量精度。

噪音

噪声性能是大多数商用高 CMRR 探头的弱点。一般来说，噪音越低越好。对于 I D测量尤其如此，因为测量的电压非常小。分流值应选择尽可能小，以尽量减少电路影响，但由于噪声存在下限。个位数的 mV rms 值很好。对于 V DS，噪声不是问题，因为可以使用常见的高压差分探头，并且噪声要求很低。栅极信号通常介于两者之间，典型测量范围为 40 V。一个重要参数是 10 % 栅极电压时间和 20 VV GS，必须能够非常准确地测量 2 V。噪声必须远小于测量电压，因此 《30 mV rms 是理想的。商用高 CMRR 探头在这样的范围内引入了大约 200 mV rms 的噪声，这使得找到正确的时序变得困难。图 2 比较了商用高 CMRR 探头和低噪声高 CMRR 解决方案之间的噪声性能。

表 2. 探头要求总结。

探头负载

电容探头负载必须非常小，以使测量信号不会受到显着影响。典型的 SiC 晶体管的输入电容在个位数 nF 范围内，输出电容约为 100 pF。因此，V DS （个位数 pF）的负载要求比 VGS （两位数 pF 可以接受） 更严格。

图 2. 商用探头（黄色）和真脉冲隔离探头解决方案（蓝色）的噪声比较。图片由 Bodo‘s Power Systems提供

表 2 显示了测量 1.7 kV SiC 模块的探头要求。

结论

高边探测为动态功率器件分析仪带来了新问题。是信号中问题最少的，因为可以通过 Keysight DP0001A 等高端高压差分探头满足要求。由于噪声要求非常严格，因此不能使用此探头。商用 Rogowski 线圈或 Pearson 探头不满足 BW 要求。商用探头无法满足对栅极信号的严格要求，例如大频率范围内的高 CMRR 要求和严格的噪声要求。Keysight PD1550A 引入了真正的脉冲隔离探头解决方案，可满足低噪声和高 CMRR 要求，同时保持隔离和带宽要求。