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高压功率精确测量选探头? DP0001A拍了拍你~

2020-08-24
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本文大约4000字,介绍了以下内容

• 示波器探头的基本原理

• 第三代宽禁带半导体测试

• DP0001A高压差分探头



WBG功率器件、功率转换器或电机驱动器的高压功率如何精确测量呢?


带宽高、负载效应低的高压差分探头DP0001A拍了拍你~



DP0001A技能库


精确测量现代开关电源中边沿速度(10%-90%)最快达到 1.2 ns 的 1kV 瞬态脉冲。


共模抑制比(CMRR)超过 90 dB,能够显著简化噪声较大的高共模功率电子环境所面临的测量难题。


与 Infiniium 示波器一起使用的时候,支持自动切换衰减比。


与 N7013A 极限温度延长套件配合,可在 -40 °C 至 +85 °C 的温度范围内使用。



01.

示波器探头的基本原理


示波器探头是示波器与待测设备之间的连接件。示波器探头的选择将直接影响示波器输入的信号质量。大部分人会比较关注示波器本身的使用,却容易忽略探头的选择。

实际上,探头是介于被测信号和示波器之间的中间环节,如果信号在探头处就已经失真了,那么示波器再好也没有用。所以,在测量信号之前,首先需要做的是选择一款合适的探头。


如何选择示波器探头呢?

一般我们会根据下面六个因素进行综合选择:



01. 信号带宽

整个测量系统的带宽由示波器、探头、信号源共同决定。

☛ 对于高斯频响的示波器和探头,系统带宽为:

☛ 对于平坦响应的示波器和探头,系统带宽为:

由系统带宽计算公式可知,探头对于测量系统的带宽影响是很大的。所以,对于嵌入式设计中的高速差分或单端探测在搭配选择测量系统时需选择合适的探头配合示波器进行测量。




示波器与探头理想搭配小贴士



具有极低的输入电容和平坦响应的InfiniiMax 3.5 GHz 1131B 差分探头是 Infiniium 2.5 GHz 至 3 GHz 示波器的理想搭配。

InfiniiMax 5 GHz 1132B 差分探头是 Infiniium 4 GHz 示波器的理想搭配。

InfiniiMax 7 GHz 1134B 差分探头是 Infiniium 6 GHz 示波器的理想搭配。 


02. 被测对象的阻抗

我们选择探头的时候,最好选择高阻抗、低电容的探头,以最大限度的降低信号源的探头负载。像一般的CMOS、TTL电路等对于绝大多数模拟或数字电路的通用调式和故障诊断来说,高阻无源探头(例如Keysight  N2873A ,500 MHz , 9.5 pF 输入电容)足够了。

但在高频范围中,例如芯片到芯片间快速、低功耗连接的HSIC USB,一般的高阻无源探头都不适用。

图1:USB 测试说明


这是因为,尽管典型的LVCMOS输入的泄漏电流很低,但对输入电容要求较高。HSIC USB仅允许14 pF的包括PC板走线和接收器电容的总电容负载。所以,HSIC测试需要较低的电容负载。

另外,HSIC使用相对较高的频率。STROBE的基本频率为240 MHz,至少需要1.5 GHz带宽才能清楚看到STROBE和DATA之间的时序关系。所以对这类高频测量应用来说,最好直接选用有源探头(例如Keysight N2795A /N2796A, 1/2GHz 带宽, 1 pF 输入电容),价格只需1000美元左右,相比市面上4pf的无源探头也不会贵很多,关键有源探头电容负载效应显著的降低,因而可以更精确地观察快速信号,特别适合于数字系统设计、元器件设计/表征及教育研究方面的应用。

03. 信号大小或动态范围

04. 单端测量还是差分测量

05. 探头的输出阻抗

06. 价格



了解了示波器探头的选择依据!

     那可供选择的示波器探头的种类有哪些呢?




02.

第三代宽禁带半导体测试


2020年2月13日,小米65W氮化镓充电器发布引发行业内外的高度关注。小米65WPD充电器的核心器件采用的是氮化镓,因其禁带宽度大于2.2eV,被称为宽禁带半导体材料。

在国内氮化镓又称为第三代半导体材料。半导体材料发展非常迅速:

第一代半导体材料:

主要以硅(Si)、锗(Ge)为主,主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中。

第二代半导体材料:

以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表,主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件。

第三代半导体材料:

以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表,因其具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键能等优点,可以满足现代电子技术中对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求。


图2:三代半导体材料主要应用


1978年推出了具有更快开关速度的第一代半导体材料Si功率MOSFET取代当时较慢且老化的双极型功率器件。采用这种功率MOSFET最佳应用例子是面向桌面计算机的开关电源。

从此,MOSFET成为半导体行业的首选电源转换器件。开关电源的好坏关系到产品的整体性能。因此,在研发和生产测试中对于电源的精确分析显得尤为重要。


电源测试中大多数电压测试是浮地测试,需要用差分探头测试。


很多初级工程师在用多个探头进行电源测量时,刚开机电源产品就“炸机”,甚至示波器也发生损坏。

这是因为示波器探头之间是共地的,在同时测量电源原边和副边的时候,如果用一根探头接原边的地,另一根探头接副边的地,相当于把电源的原边和副边的地短路在一起,这样短路后的大电流就会烧坏电源产品和探头,甚至是损坏示波器。所以,在测试原边和副边的电压时应该一侧选用差分探头,一侧选用无源或有源单端探头。


无源探头或单端有源探头共模电压范围小,不能满足测试精度。


在没有差分探头时,有种方法是使用两根单端有源探头,接入到示波器的两个模拟通道,然后使用示波器中的Math运算功能做CH1-CH2,进行浮地测量。

这种方法的缺点是需占用2个示波器通道,且最大的限制主要是共模电压测量范围极小,时常遇到两通道电压都很高但差值很小的情况,测量误差极大。


常见的高压差分探头共模耐压与衰减比有关,影响测试结果。


市面上高压差分探头存在的问题是共模耐压会随着衰减比的变化而变化。

图3:市面上高压差分探头共模耐压和衰减比

这就给上管Vgs的测试带来很大的问题,比如某型号差分探头在100:1的衰减比下差模耐压和共模耐压都是700V,非常适合AC转DC相关拓扑的500V-600V耐压功率器件Vds电压测试。

但是,当我们需要测试Vgs电压的波形时,为了得到更高的测试精度,更小的垂直刻度,需要把衰减比调整到10:1。但在10:1衰减比下,该探头的共模耐压会降低到70V,因此不能用于上管Vgs的测试,如果需要测试上管Vgs电压波形,就只能用100:1,这样会使Vgs的测试结果误差非常的大。


大多商用高压差分探头带宽不到300MHz,不能满足测试需求。


随着电源工作频率的不断提高,工程师已经开始采用高频功率开关和整流器技术。从传统平面或沟槽MOSFET开关的上升/下降时间为30ns到60ns发展到超结MOSFET、GaN MOSFET、SiC MOSFET和SiC肖特基整流管等功率开关的开关时间不到5ns。为观察如此快速的信号变化,通常需要足够带宽的测量系统。 

根据前面对测量系统带宽的介绍,我们知道带宽要足够不仅是示波器的带宽要足够,探头的带宽也要足够。多年来示波器发展迅速,当前实时示波器最大带宽已达到110GHz带宽,而示波器探头一直是测量系统的瓶颈。

所以,一般示波器带宽不会选错,基本上来说如果是AC转DC的硅基MOSFET管,100MHz的带宽就够了。如果是IGBT,需要50MHz到100MHz带宽。对于低压的MOSFET管(DC转DC)则需要200MHz带宽。如果是SiC材料的测试,带宽一般要200MHz左右,GaN材料则需要400MHz的带宽。

我们前面提到的带宽的需求,比如GaN需要400MHz带宽,不是仅仅指示波器的带宽,而是说整个测量系统的带宽,包括示波器、探头、以及延长线。从被测设备到示波器之间的任何一个环节都会影响测试系统的带宽。所以说,如果我们测试系统需要400MHz的带宽,那么我们的探头也至少是400MHz的带宽。遗憾的是,大多数商用的电压差分探头无法在这么高的频率下工作。


GaN材料MOSFET管测试需要高带宽高压差分探头测试。



图4:第三代半导体主要应用范围


GaN材料主要应用于偏低压应用例如800V以下的应用,像高功率密度DC/DC电源的40V-200V增强性高电子迁移率异质节晶体管(HEMT)和600V HEMT混合串联开关。当然现在也有800V以上的一些应用也是用GaN材料的。在这些应用中需要选用高压差分探头进行测试。


SiC材料测试中高温测试需求增多,需要宽温度范围的探头。


SiC材料主要偏向高压的应用。因其具有承受高温(300℃左右温度是没有问题的)的特点主要应用场景是在汽车和光伏逆变器等领域。这些器件的应用会对整个电源系统有很大的改进。


综上所诉,针对宽禁带材料功率器件的测试,我们需要的是包括示波器、示波器探头以及测试软件的一套完整的测试系统。其中,对示波器探头的具体要求如下:

01


电气性能符合要求-带宽、输入电压范围(单端还是差分)、低噪声、高输入阻抗以及高共模抑制比;

02


探头前端满足规范要求;

03


探头易用性;

04


探头有没有过载保护;

05


温度范围满足规范要求,例如汽车测试需要在85℃左右;

06


高共模抑制比,防止共模信号对输出有影响;




对于电源工程师来说,除了器件本身的测试之外,更关注器件在电路板中的性能,例如器件在工作过程中Vds电压以及损耗。器件损耗的原因主要有两个方面:(1)耐压击穿;(2)损耗。在测试过程中需要注意的几个问题是:

图5:器件损耗测试注意的问题


除了以上提到的问题,浮地测量时地的选取以及不能和损耗&SOA同时测试也是需要我们注意的问题。



03.

DP0001A高压差分探头


专为进行精确的高压功率测量而设计高压差分探头DP0001A具有哪些具体性能?

图6:DP0001A高压差分探头



DP0001A 是一款 400 MHz 高压差分探头,专为进行精确的高压功率测量而设计。

DP0001A 具有 2 kV 主电源隔离度或 1 kV CAT III 额定工作电压,可以满足当今 WBG 电力设备测试、功率转换器或电机驱动器的测试需求。

DP0001A 探头的特点是带宽高、负载效应低。因此可以精确测量现代开关电源中边沿速度(10%-90%)最快达 1.2 ns 的 1kV 瞬态脉冲。

DP0001A 探头其共模抑制比(CMRR)超过 90 dB,能够显著简化噪声较大的高共模功率电子环境所面临的测量难题。


相比传统的IGBT,高压硅基MOSFET等,SiC和GaN宽禁带功率器件具有更快的开关速度,因此也需要更高的测试带宽。

DP0001A高压差分探头能够以400MHz的带宽提供2KV的测试电压范围,很好的解决了宽禁带功率器件带来的测试挑战。



接下来,让我们通过一个9分钟的视频

深入了解一下这款探头吧!





小知识



DP0001A高压差分探头采用特殊设计,共模耐压不会随着衰减比的变化而变化,在低衰减比下,依然保持着较高的带宽和共模耐压,非常适合上管的Vgs电压测试。特别是有高带宽需求的SiC和GaN宽禁带功率器件的Vgs电压波形的测试。

图6:DP0001A高压差分探头共模耐压值


此外, DP0001A当与 Infiniium 示波器一起使用时,该探头支持衰减比自动切换,也就是将探头衰减比自动设置为与测试相匹配的值,从而使探头的动态范围大于或等于测量电流输入信号所需的动态范围。


最后,是德科技提供了完整的探头系列产品。满足各种不同的测试需求,具体内容,在下面的PDF文件中,点击按钮下载:


图7:是德科技完整的探头系列产品



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 资料预览 


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资料包括海报信号的旅程在示波器内部,是德科技示波器探头完整系列产品。



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*奖品图片仅供参考,具体以实物为准
为确保奖品邮寄,请准确填写收件信息



参考文献:

  • USB and HSIC Protocol Triggering and Decode

  • 第三代半导体产业技术创新战略联盟简报

  • 开关电源设计(第三版),Pressman,Abraham I,电子工业出版社,2010.


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