光隔離探頭在功率半導(dǎo)體測(cè)試的一些誤區(qū)探討

光隔離探頭主要用于開(kāi)關(guān)電源、逆變器、充電樁、變頻器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等由功率半導(dǎo)體組成的高壓高頻電路的測(cè)試，尤其是寬禁帶半導(dǎo)體器件包括氮化鎵、碳化硅器件組成的半/全橋電路的測(cè)試。

為什么這些領(lǐng)域要用到光隔離探頭呢？

這些領(lǐng)域有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是高壓擺率（dv/dt）。

傳統(tǒng)測(cè)試高壓電路一般用高壓差分探頭來(lái)完成；但是高壓差分探頭的共模抑制比、隔離電壓、信噪比、帶寬及帶寬平坦度、抗干擾****能力等方面都明顯不足。

功率半導(dǎo)體器件一直在向高耐壓、低導(dǎo)通電阻、低開(kāi)關(guān)損耗方面發(fā)展；從最終電路性能方面來(lái)說(shuō)，就是電壓越來(lái)越高，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間越來(lái)越短，通過(guò)電流越來(lái)越大。

圖：功率半導(dǎo)體器件發(fā)展方向

高壓差分探頭基本無(wú)法勝任這樣的測(cè)試工作，而光隔離探頭的優(yōu)異性能完全彌補(bǔ)了高壓差分探頭的短板。

但是無(wú)論采用高壓差分探頭測(cè)試還是光隔離探頭測(cè)試，有部分工程師在測(cè)試方面存在一些誤區(qū)。

下面就這些誤區(qū)做一個(gè)總結(jié)分享給大家探討！

誤區(qū)1

差模電壓與共模電壓

有工程師以為，光隔離探頭可以承受幾萬(wàn)伏的共模電壓，所以能測(cè)幾萬(wàn)伏的差模電壓。

共模電壓：共模電壓是相對(duì)探頭來(lái)說(shuō)的；這個(gè)電壓一般以大地為參考，探頭的正負(fù)輸入端同時(shí)被浮空于大地的電壓就是共模電壓，探頭所標(biāo)示的共模電壓大小，就是探頭的最大隔離電壓。

一般為了安全起見(jiàn)，探頭的隔離電壓必須大于被測(cè)電路的最高電壓，以保護(hù)人身和設(shè)備的安全。

探頭允許的共模電壓是越大越好。

差模電壓：差模電壓就是探頭需要測(cè)試的信號(hào)電壓。

圖：共模與差模

高壓差分探頭允許的最大差模輸入電壓就是差分探頭的最大共模電壓，一般從幾百伏到幾千伏，這和高壓差分探頭的電路原理有關(guān)。

在有些場(chǎng)合，高壓差分探頭的共模電壓和差模電壓是相互矛盾的，工程師希望更大的共模電壓來(lái)保證安全，同時(shí)希望高壓差分探頭在測(cè)試不同大小的差模信號(hào)時(shí)保持較高的信噪比，但是高壓差分探頭的硬件分壓比是無(wú)法改變的，所以在差模信號(hào)幅度較低時(shí)信噪比也同步降低。

光隔離探頭由于是光電隔離的，共模電壓可以高達(dá)幾萬(wàn)伏，差模電壓可以用不同的衰減器來(lái)適配，從毫伏級(jí)到幾千伏，都可以有很高的信噪比。

總結(jié)：

1.共模電壓≠差模電壓；具有很高的共模電壓是光隔離探頭的天生優(yōu)勢(shì)；

2.通過(guò)****更換不同衰減比的衰減器靈活適配差模電壓，以保持更高的信噪比，這是探頭廠商賦予光隔離探頭的后天優(yōu)勢(shì)，與光隔離探頭無(wú)關(guān)。

誤區(qū)2

信號(hào)沒(méi)有高頻

在分析功率器件構(gòu)成的橋式電路時(shí)，部分工程師對(duì)信號(hào)的頻率存在一定的誤解：“沒(méi)有高頻啊，門極信號(hào)頻率才幾十K呢！”

這種理解是沒(méi)有基波和諧波的概念，把開(kāi)關(guān)頻率和信號(hào)頻率混淆了。這里說(shuō)的高頻，是信號(hào)中的高頻分量，不是開(kāi)關(guān)頻率。

功率半導(dǎo)體器件在向高耐壓、低導(dǎo)通電阻、低開(kāi)關(guān)損耗方面發(fā)展，直接體現(xiàn)就是器件的Vce（或者Vds）電壓的dv/dt變得很大，尤其是碳化硅或者氮化鎵器件，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)程的時(shí)間可以小到幾個(gè)納秒，這就導(dǎo)致由功率器件構(gòu)成的橋式電路的中點(diǎn)有很高的高頻能量，因此在測(cè)試寬禁帶半導(dǎo)體上管的Vgs或者Vge信號(hào)時(shí)，存在高頻高壓的共模干擾。

這下我們知道了，這個(gè)信號(hào)中的高頻，是信號(hào)中的高頻分量，和開(kāi)關(guān)頻率沒(méi)有關(guān)系；就算開(kāi)關(guān)頻率是1Hz，信號(hào)中仍然會(huì)存在高頻分量。

既然信號(hào)中存在高頻分量，就需要高帶寬的探頭才能勝任，否則信號(hào)中的高頻振蕩或者一些尖峰就會(huì)因探頭的帶寬所限制而看不見(jiàn)。

在一家規(guī)模不大的功率半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備公司，筆者親眼看到他們將差分探頭的帶寬限制在5MHz用來(lái)測(cè)試IGBT的門極信號(hào)Vge，因?yàn)樗麄儧](méi)有考慮到信號(hào)中的高頻分量，測(cè)出來(lái)示波器上的波形十分干凈平滑。這樣的測(cè)試結(jié)果讓工程師表示十分滿意，但是這樣的測(cè)試設(shè)備會(huì)給IGBT生產(chǎn)線帶來(lái)測(cè)試隱患，一些隱含的高頻尖峰可能會(huì)被錯(cuò)過(guò)。

在東莞松山湖的一家功率半導(dǎo)體測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，工程師正在對(duì)氮化鎵器件做測(cè)試驗(yàn)證，與上一個(gè)案例不同的是，他們懷疑高頻異常信號(hào)的存在，但是無(wú)法看見(jiàn)他們。因?yàn)橛酶邏翰罘痔筋^無(wú)法測(cè)試上管，當(dāng)他們用500MHz帶寬的光隔離探頭測(cè)試上管的Vgs時(shí)，發(fā)現(xiàn)了高達(dá)580MHz的震蕩信號(hào)，這個(gè)震蕩來(lái)自于板子寄生和器件的共同作用，要想更準(zhǔn)確的觀察與測(cè)量，需要帶寬1GHz的探頭才能勝任。

總結(jié)：

1.信號(hào)頻率不等于開(kāi)關(guān)頻率；

2.信號(hào)中往往存在非常高的頻率成分。對(duì)橋式電路來(lái)說(shuō)，共模信號(hào)和功率器件的速度有關(guān)，差模信號(hào)和PCB布線與元件參數(shù)有關(guān)。

誤區(qū)3

高頻共模抑制能力****

每一個(gè)共模抑制比指標(biāo)，一定是在特定頻率下獲得的。

高壓差分探頭在低頻段（100KHz以下）的共模抑制能力尚可，在中高頻段（1MHz以上）的共模抑制能力就會(huì)很快變差。相對(duì)來(lái)說(shuō)，光隔離探頭的共模抑制能力會(huì)比高壓差分探頭好很多。但是不要陷入一個(gè)誤區(qū)：只要是光隔離的探頭，都有很高的共模抑制比。

光隔離探頭的原理決定了在直流及低頻段天生具有很高的共模抑制比，只要是光纖隔離就可以很輕松實(shí)現(xiàn)直流160dB以上、低頻140dB以上的目標(biāo)。但是中高頻的共模抑制能力不是光隔離探頭天生具有的，是后天探頭廠商賦予的，只要是后天賦予的，就一定存在高低優(yōu)劣之分，這和探頭廠商的技術(shù)能力相關(guān)。

功率半導(dǎo)體電路，尤其是第三代半導(dǎo)體電路，都是高頻疊加高壓，需要探頭在高頻段（至少200MHz以上）的共模抑制比要很大。具體要多大呢，舉個(gè)例子：

假設(shè)測(cè)試氮化鎵電路，共模信號(hào)電壓是500V，dv/dt=250V/ns，要抑制這樣的共模干擾，如果CMRR=60dB，探頭會(huì)輸出500mV的共模干擾疊加到差模信號(hào)上，對(duì)差模信號(hào)有明顯的影響，如果CMRR=80dB，探頭會(huì)將50mV的共模干擾疊加到差模信號(hào)上，對(duì)差模信號(hào)的影響還是不可忽略，如果CMRR=100dB，探頭只會(huì)殘留5mV的共模干擾，對(duì)差模信號(hào)來(lái)說(shuō)完全可以忽略。（可以結(jié)合下圖理解）

探頭有多高的帶寬頻率，就需要在這個(gè)帶寬的最高頻率情況下仍然有很高的共模抑制能力。例如500MHz帶寬的探頭，就需要在500MHz頻率時(shí)，仍然有很高的共模抑制比。高帶寬是為了能觀察到高頻差模信號(hào)，高頻共模抑制能力是希望高頻共模干擾能被完全抑制。

總結(jié)：

1.為了確保測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性，光隔離探頭在10MHz至1GHz頻段CMRR至少在100dB附近，低于這個(gè)值，光隔離探頭****就失去了最核心的價(jià)值——高頻共模抑制能力；

2.在直流及低頻段具有很高的共模抑制比是光隔離探頭天生的，在高頻段具有很高的共模抑制比是探頭廠商賦予的，不是天生的，需要謹(jǐn)慎選擇。

誤區(qū)4

帶寬誤區(qū)****

前面說(shuō)到有工程師在頻率方面存在誤解，因此對(duì)探頭的帶寬也存在誤區(qū)，認(rèn)為不需要更高帶寬的探頭和示波器。

還有一種誤區(qū)：信號(hào)有多高的頻率，就選擇多大帶寬的探頭和示波器。這個(gè)誤區(qū)也會(huì)帶來(lái)測(cè)試誤導(dǎo)。前面的工程師用500MHz的探頭觀察到580MHz的震蕩，能觀察到不代表能測(cè)得準(zhǔn)確。我們先來(lái)看看帶寬的定義：

帶寬：也叫標(biāo)稱帶寬或者-3dB帶寬。一個(gè)探頭（或者示波器）測(cè)試信號(hào)時(shí)，當(dāng)輸出信號(hào)幅度衰減至-3dB(即輸入幅度乘以0.707）時(shí)的頻率，就是這個(gè)探頭的最大頻率，一般將這個(gè)最大頻率向下取整，定為這個(gè)探頭的標(biāo)稱帶寬。

這個(gè)-3dB衰減，就產(chǎn)生了30%的測(cè)量誤差。所以，標(biāo)稱帶寬是不保證測(cè)試精度的。什么情況下才能保證測(cè)試精度呢？有傳說(shuō)中的5倍法則、4倍法則，說(shuō)法不一，就是說(shuō)取信號(hào)中的最高頻率乘以5倍或者4倍來(lái)決定需要多大帶寬的探頭。在預(yù)算充足的情況下，倍數(shù)越高越好，如果預(yù)算不充足，選擇能滿足測(cè)試精度的就好。

什么情況下能滿足測(cè)試精度，和每一個(gè)探頭的品質(zhì)有關(guān)，有的探頭，在0.2倍標(biāo)稱帶寬頻率以后測(cè)試誤差開(kāi)始變大，有的探頭在0.5倍標(biāo)稱帶寬頻率以上仍然具有較高的測(cè)試精度。為什么會(huì)這樣呢？看下面波形圖：

圖：探頭快沿響應(yīng)波形

這是一個(gè)探頭快沿響應(yīng)波形，這種大幅過(guò)沖和衰減震蕩的波形，說(shuō)明了探頭的頻響不好，過(guò)沖是為了讓探頭的另一個(gè)指標(biāo)——上升時(shí)間更小，同時(shí)把高頻的幅度提升，給帶寬注水(例如將僅有100MHz的探頭，用過(guò)沖手段注水到200MHz），讓探頭電路產(chǎn)生這種過(guò)沖的方法來(lái)提升探頭的最高帶寬，這本身就是鉆帶寬定義的空子，欺負(fù)用戶沒(méi)有能力檢測(cè)。這種探頭的測(cè)量精度很差，帶寬從100MHz注水到200MHz的探頭，測(cè)量精度比100MHz帶寬的探頭還要差，因?yàn)槌掷m(xù)的衰減震蕩壓榨了更多的高頻精度。

總結(jié)：

1.探頭的標(biāo)稱帶寬是不保證測(cè)試精度的，具體到多少頻率以下才有精度和探頭品質(zhì)有關(guān)；

2.有些探頭的帶寬是有水分的，電壓探頭的水分可能會(huì)帶寬翻倍。

誤區(qū)5

測(cè)試精度誤區(qū)

無(wú)論是探頭還是示波器，都會(huì)標(biāo)示一個(gè)精度：DC增益精度，許多工程師誤認(rèn)為這就是這臺(tái)設(shè)備的測(cè)試精度。事實(shí)上這僅僅代表直流精度而已，不代表交流的精度。

下面來(lái)闡述一下測(cè)試精度問(wèn)題。

D****C增益精度：一般測(cè)試儀器會(huì)給出這個(gè)指標(biāo)，就是測(cè)試直流信號(hào)時(shí)能保證的測(cè)試精度。作為光隔離探頭來(lái)說(shuō)，這個(gè)指標(biāo)有用，但不是核心指標(biāo)；誰(shuí)會(huì)用光隔離探頭來(lái)作為直流信號(hào)的主要測(cè)試手段呢，用萬(wàn)用表既準(zhǔn)確又經(jīng)濟(jì)不香嗎？

探頭在什么頻率情況下才能保證測(cè)試精度，基本沒(méi)有廠商提及這個(gè)指標(biāo)，這給測(cè)試儀器市場(chǎng)帶來(lái)了一定混亂。其實(shí)需要給探頭或者示波器提出另一個(gè)指標(biāo)：有效精度帶寬，這個(gè)指標(biāo)由麥科信公司提出并應(yīng)用到旗下光隔離探頭產(chǎn)品，指引工程師知道什么情況下測(cè)試的結(jié)果可以信賴。

有效精度帶寬：在給定測(cè)試精度指標(biāo)的情況下，探頭保證該測(cè)試精度的最大帶寬。

例如麥科信型號(hào)為MOIP500P的光隔離探頭，標(biāo)稱帶寬為500MHz，有效精度帶寬為300MHz，說(shuō)明這個(gè)探頭的最大帶寬是500MHz，從DC至300MHz可以保證1.5%的測(cè)試精度，這能夠讓工程師放心采用這些測(cè)試結(jié)果。

與有效精度帶寬相對(duì)應(yīng)的，還有一個(gè)指標(biāo)：帶寬增益精度。

帶寬增益精度：在有效精度帶寬范圍內(nèi)****探頭的測(cè)試精度。

例如上面的型號(hào)的探頭，帶寬增益精度是1.5%。

圖：MOIP500P 實(shí)測(cè)幅頻特性曲線

一般工程師有沒(méi)有手段來(lái)檢驗(yàn)自己手中探頭的有效精度帶寬呢？一般有以下兩個(gè)辦法：

辦法1：用能產(chǎn)生高頻正弦波的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，從低頻到高頻輸入給探頭，看探頭輸出幅度的變化，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較計(jì)算誤差。

辦法2：自己沒(méi)有條件的情況下，找正規(guī)檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)試探頭的幅頻特性數(shù)據(jù)，但是這會(huì)產(chǎn)生一定檢測(cè)費(fèi)用（在數(shù)據(jù)不理想的情況下可以讓探頭廠商承擔(dān)費(fèi)用，并作為退貨依據(jù)）。

總結(jié)：

1.打個(gè)確切的比方，探頭就像房子，帶寬是建筑面積，有效精度帶寬是使用面積，真正有用的是使用面積。關(guān)注探頭的有效精度帶寬，做到測(cè)試精度心中有數(shù)。

2.用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源驗(yàn)證測(cè)試設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)，這比猜想和設(shè)備間相互對(duì)比更科學(xué)。




審核編輯：劉清