如何为您的应用选择合适的高压示波器探头

引言

由于潜在的人身危险和设备损坏，以及不同材料高压半导体的需求差异，探测高压电路面临着独特的挑战。高压浮地测量非常危险且难以进行，传统的无源探头是不合适的，隔离探头和高压差分探头是可用的选择。而在这一类别探头中，又有许多可用的探头选择，如何确定哪种是最适合您的应用的高压示波器探头？

我们将通过一个真实的示例来展示如何为您的应用选择合适的高压探头，该示例是选择用于全桥 GaN 半导体电路上进行开关损耗测试的探头。

三大基本问题

当访问高压探头选择指南时，将被问到三个基本问题，这些问题决定了探头在特定应用中是不是正确的选择。

Q1

直流母线电压是多少？

直流母线电压将确定用于测量的探头所需的最大额定电压。对于交流线路信号，这是交流线路的峰峰值电压。在开关功率器件中，母线电压通常是AC线路全波整流的峰值电压或来自驱动器/逆变器电路的脉宽调制 (PWM) 信号的幅度。

Q2

什么是半导体器件材料？

硅 (Si)、碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 都是用于半导体器件的常用材料，每种材料对开关信号的上升时间都有其独特的要求：

• Si 器件通常无法处理快于 10 ns 的上升时间

• SiC 器件的上升时间为 3 到 5 ns 或更慢

• GaN 器件的上升时间约为 1 到 3 ns

电压摆幅越大，上升时间越慢，这有助于控制 EMI。

为了测量快速上升时间以及一些谐波，探头需要有足够的带宽。例如，要测量 GaN 器件上的栅极驱动信号，所需的探头带宽可能接近 1 GHz，而要测量同一 GaN 器件上的输出信号，所需带宽可能为 700 MHz 甚至低至 350 MHz。

Q3

有哪些应用？

高压探头选择指南会询问您的测量应用，提供功率半导体测试、浮地传感器或系统输入/输出测量选项。这种高级分类决定了许多探头指标的相对重要性，包括电压范围、带宽、衰减和隔离。

功率半导体测试是指对单个功率器件进行的测量。这包括捕获 MOSFET/IGBT 栅极驱动信号和输出信号，然后对其进行分析。分析包括死区时间验证和开关损耗测量。根据测试的半导体器件的不同，理想的探头特性包括宽电压范围、高偏置能力、非常好的 CMRR 和更高的带宽。

浮地传感器测量包括探测串联或分流电阻器、温度传感器或分立元件等。这种类型的应用通常对探头的隔离要较高，因为所涉及的信号通常较小且电压偏移较大。

系统输入/输出测量包括线路侧交流电压、DC/DC 转换器高低压输入输出、直流母线以及逆变器驱动 PWM 输出，宽电压范围和共模范围是与此应用相关的探头的典型特征。

使用高压探头选择指南

力科提供了这种简单的方法来帮助您根据特定应用选择高压探头。打开高压探头选择指南，回答三个基本问题，将获得对于高压探头的推荐，并附上我们选择背后的理由。

选择指南使用简单的颜色编码方案对每个探头的适用性进行评级：

• 黑色：绝对不能将探头用于此应用，因为可能会损坏探头、示波器或被测设备 (DUT)，或对操作员造成伤害。

• 红色：此应用中使用探头可能是安全的，但它可能无法提供良好的测量结果。

• 黄色：在此应用中，探头的性能存在一些折衷，但一些用户可能会发现这些探头对他们来说是合适的。

• 绿色：这是完美的探头，它的使用几乎没有问题，并且针对此应用在价格和性能方面进行了优化。有时，它可能是唯一安全的选择。

让我们来看看如何使用高压探头选择指南，来选择合适的探头测试使用 260 V DC 总线的功率半导体。

选择正确高压探头实例

要测试的电路是一个全桥拓扑结构，使用四个宽禁带（在本例中为 GaN）金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。需要测量的是确定 MOSFET 的开关损耗。有两个下侧MOSFET 和两个上测MOSFET，如下图所示。

根据以上信息：

• 直流母线电压选择为 170 – 1000 Vdc

• 半导体器件材料选择是宽禁带（SiC 或 GaN）

• 应用选择是功率半导体测试。

再将这些信息输入高压探头选择指南，如下图所示。

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考虑不同应用对探头的要求

结果显示在一个矩阵中，显示了所考虑的应用的子类别以及每个应用所考虑的 HV 探头。

在本例中，高压探头选择指南选择了 DL-ISO 系列高压光隔离探头作为栅极驱动和开关损耗测量的最佳探测选项（绿色）。

DL-ISO 是一种新型探头，专为测量浮在高压直流总线上的小信号而设计，它具有类似于 Tektronix IsoVu 的光隔离特性。HVD 系列高压差分探头是采用传统设计的高质量高压差分探头，选择指南指示该探头可能可用（黄色）。

每个选项附带的注释提供了结果的简要原因，在标有字母“i”的按钮后面提供了更多信息。

Q

为什么功率半导体器件测量面临很大的挑战，为什么选择DL-ISO探头？

• 测量下侧MOSFET相对容易，因为它们以地为参考。可以使用单端无源探头，但不推荐使用，因为很容易不小心探测到电路的高压 (HV) 部分，从而损坏探头、示波器或被测设备，或对操作人员造成伤害。

• 测量上侧MOSFET比较困难，因为它们以非零电压为基准。这称为浮地测量。这排除了使用接地参考的单端探头，因为它们会使 DUT 短路。此测量需要高压差分或单端隔离探头。

• 上侧MOSFET测量受益于光隔离探头（如DL-ISO）的高CMMR，有助于消除来自下侧器件的开关干扰。

• 在测量宽禁带器件（例如 GaN 和 SiC）时，还需要高带宽以适应这些器件支持的更快上升时间。

测量上下MOSFET可以全面了解系统的行为。除了评估开关损耗外，设计人员还将评估时序，以了解是否有同时开启上下管的可能，这会导致短路（击穿）。因此，必须有一个能够充分执行上管测量的探头。

对于上管MOSFET中的浮地测量，单端无源探头是一个糟糕的选择（黑色），在浮地电路环境中使用时存在安全隐患，这就是将它具有标记为黑色分类的原因。

HVD探头是比无源探头更好的选择，但由于其输入电容，它可能会加重电路的负载。对于较快的宽禁带器件，尤其是示例中使用的 GaN 器件，它也可能没有足够的带宽。使用这种类型的探头会有一些折衷，但一些用户可能会发现这些探头可以很好地满足他们的特定测量需求。

DL-ISO是最佳选择的原因之一是探头的CMRR。DL-ISO系列在 DC 下的 CMRR 为 160 dB，在更高频率下的 CMRR 也明显高于其他探头。HVD 探头在直流时的 CMRR 为 85 dB，在 1 MHz 时为 65 dB。虽然 HVD 系列探头与传统的 HV 差分探头相比具有出色的 CMRR，并且根据器件和电路的不同，其性能也可以接受，但其 CMRR 不如 DL-ISO 好，而且它的带宽远低于 1 GHz。

最后，DL-ISO系列探头提供高达 1 GHz 的带宽，可以满足 GaN 器件的要求。HVD 系列探头的带宽最高 400 MHz，更接近于 SiC 或硅 (Si) 功率半导体器件的带宽要求。

此类功率器件测量的最佳选择是单端光纤隔离探头。其单端配置可最大限度地减小负载，从而提供更好的信号保真度。探头隔离电路不易受到瞬变的影响。它在高频下具有更好的 CMRR，这对于使用宽禁带半导体（如本例中的 GaN MOSFET）的电路很重要。与探头的隔离电路相结合，可实现更准确的上管测量。

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实际测试对比

为了证明这一点，让我们比较使用 DL-ISO 探头和 HVD 探头捕获的 Vds（MOSFET 漏源）信号。DL-ISO 探头（下图中的红色波形）连接到一个上侧 MOSFET 的栅极。HVD 探头（蓝色迹线）连接到另一个上侧 MOSFET 的栅极。可以同时进行观察，而且探头不会因加载电路而相互影响，如果它们连接到同一测量点就会出现相互影响的情况。

请注意，HVD 探头在边沿转换上表现出小的过冲。这种过冲很可能是由于 HVD 探头的 CMRR 低于 DL-ISO。DL-ISO 探头的信号中没有明显的过冲， DL-ISO 探头的光学耦合提供了最佳的 CMRR 性能，有助于抑制来自电路其他地方的瞬变的影响。

编辑：黄飞