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使用泰克ISOVu光隔离探头抑制串扰

泰克ISOVu光隔离探头使用电流(光学)或射频隔离将探头的参考电压与示波器的参考电压(通常为接地)分离。这使电源设计人员能够在存在大共模电压的情况下准确解析高带宽、高电压差分信号。泰克的IsoVu光隔离探头使用电流隔离在宽带宽内提供一流的共模抑制性能。当SiC MOSFET被使用在桥式电路时,电源工程师需要提起十二分精神来面对Crosstalk(串扰)难题,一旦处理不好就有可能导致炸机。IsoVu探头中的隔离和高频相结合,为电源设计人员提供了比传统差分探头更准确的测量结果,适用于在测量高压信号时需要高带宽的应用。
泰克ISOVu
在半桥电路中,动作管开关动作产生的dV/dt通过其对管Crss(反向电容)产生位移电流并上拉或下拉原本为关断电平的对管驱动电压。在图1的半桥电路中,动作管为下管S1,施加在上管S2的为关断驱动信号,其体二极管处于续流状态。当S1进行开通时,其端电压VDS1下降,则S2开始承受反向电压,其两端的电压VDS2以dV/dt的速度快速上升。那么dV/dt就会通过S2的Crss产生位移电流Irss=Crss*dV/dt,Irss会流入S2的驱动回路,对CGS充电,并在RG上产生压降。最终导致的结果就是S2的驱动电压被向上拉起,出现一个正向的尖峰,如果超过S2的Vth,则会导致误导通,轻则增加损耗,重则桥臂短路发生炸机。这一过程称为正向Crosstalk。
泰克ISOVu光隔离探头
图1
泰克ISOVu光隔离探头
图2
S1依旧为动作管,只是这次它进行的是关断。此时整个过程与正向Crosstalk原理一样,只是电压和电流的变换方向相反,最终S2的驱动电压被向下拽,出现一个反向的尖峰。我们都知道SiC MOSFET栅极耐压能力很差,负向的尖峰会对其栅极造成损伤,影响SiC MOSFET的寿命或直接将其栅极击穿。这一过程称为负向Crosstalk。其实无论是Si MOSFET还是IGBT都存在Crosstalk的问题,并不是SiC MOSFET特有的。但是SiC MOSFET开关速度更快、Vth偏小(一般在2.5V-4.5V)、栅极耐压能力较弱,这就使得Crosstalk对SiC MOSFET而言后果更加严重、处理起来更加困难。
泰克ISOVu光隔离探头
图3
泰克ISOVu光隔离探头
图4

使用泰克ISOVu光隔离探头减少寄生参数影响

以上图1和图3中所给出的是简化后的电路图,当考虑很多存在的寄生参数后,我们得到图5中给出的等效电路。SiC MOSFET芯片上实际的驱动电压为VGS,而我们使用电压探头获得的是VGS-M。两者的区别是VGS-M不光包含了VGS,还包含了SiC MOSFET芯片栅极电阻RG(int)上的压降VRG和寄生电感L上的压降VL。导致这种情况发生的原因是电压探头无法直接接在SiC MOSFET的芯片上,只能接在器件封装的引脚上,则RG(int)和L都在测量点之间。
通过仿真结果可以看到,通过电压探头测量得到的Crosstalk波形都比实际发生的Crosstalk偏低,这就是说,由于寄生参数的影响,Crosstalk的严重程度被低估了。这就会导致以下两种情况:一是通过测量结果判断Crosstalk在可接受范围内,然而实际已经发生误导通;二是工程师费了很大功夫,看似将Crosstalk抑制住了,实际还差很远。由于RG(int)和L无法避免,也就是这种测量误差无法被消除,那么电源工程师在使用SiC MOSFET时就需要为Crosstalk留出足够的裕量。
泰克ISOVu光隔离探头
图5
同时,测量结果与真实Crosstalk之间的差别会随着RG(int)和L的增大而增大,这就启示我们可以选择RG(int)的SiC MOSFET,同时在进行测量时尽量将探头接在器件引脚的根部,这样就可以尽量缩小误差。
泰克ISOVu光隔离探头
图6
泰克ISOVu光隔离探头
图7

使用合适的泰克ISOVu光隔离探头有效降低测试误差

在进行电源调试时,往往使用的是高压差分探头测量电压信号,其测量范围广、差分输入、高阻抗的特点深受电源工程是的喜爱。
但在测量Crosstalk波形时差分探头就不再适用了。首先Crosstalk的幅度范围在±10V以内,高压差分探头的衰减倍数大,这就导致测量误差大、噪声大。其次,高压差分探头前端的测量线很长,相当于一个天线,会接收到SiC MOSFET开关过程中快速变化的电流产生的干扰信号,从而影响测量结果。最后,高压差分探头前端的测量线可以看做是电感,容易使得测量结果中出现本不存在的震荡。
从下边的实测结果中可以看到,使用高压差分探头测量得到的Crosstalk波形显得很粗,同时其震荡幅度很高,正向Crosstalk尖峰已经超过SiC MOSFET的Vth(3.5V),然而此时并未发生误导通,说明这样的测试结果是有问题的,同时负向Crosstalk尖峰也已经超过了SiC MOSFET栅极耐压极限(-10V)。而当使用光隔离探头得到的Crosstalk波形与使用高压差分探头的波形有着明显的区别,波形线条变细了,同时正向和负向Crosstalk尖峰都在可接受范围之内。这主要得益于光隔离探头可以选择更小的衰减倍数,同时其探头前段与器件的连接可实现最小环路连接。
泰克ISOVu光隔离探头
图8
泰克ISOVu光隔离探头
图9
以上是测量下管Crosstalk的波形,那么当我们需要测量上管Crosstalk的时候,情况又会如何呢。从下边的实测波形可以看出,使用高压差分探头得到的波形更加离谱了,其震荡的幅度超过了正向10V反向20V,而使用光隔离探头测得的波形依然在可接受范围之内,这主要得益于光隔离探头极佳的高频共模抑制比。
泰克ISOVu光隔离探头
图10
泰克ISOVu光隔离探头
图11
泰克科技IsoVuTM光隔离高压探头,大大增强了上一代探头的性能,探头尺寸更小,使用更简便,电气性能更佳,有效发现普通隔离探头隐藏的快速震荡信号,把隔离探头技术应用扩展到整个功率系统设计市场。使用传统差分探头几乎不可能在浮地高速率系统上进行准确的测量。由于涉及更高的频率和开关速度,使用SiC和GaN等宽禁带技术的工程师面临准确测量和表征器件的巨大挑战。通过将探头与示波器的电流隔开,泰克IsoVu探头完全改变了功率研究人员和设计人员进行宽禁带器件的测量方式。
银飞有售泰克ISOVu光隔离探头

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