第三代半導(dǎo)體測(cè)試的突破 —— Micsig光隔離探頭

第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）是近幾年新興的功率半導(dǎo)體，相比于傳統(tǒng)的硅（Si）基功率半導(dǎo)體，氮化鎵和碳化硅具有更大的禁帶寬度，更高的臨界場強(qiáng)，使得基于這兩種材料制作的功率半導(dǎo)體具有耐壓高、導(dǎo)通電阻低、寄生參數(shù)小等優(yōu)異特性，應(yīng)用于開關(guān)電源領(lǐng)域時(shí)，具有損耗小、工作頻率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可以大大提升開關(guān)電源的效率、功率密度和可靠性等。

圖1：碳化硅（SiC）和氮化鎵(GaN)的開關(guān)動(dòng)作時(shí)間

碳化硅（SiC）和氮化鎵(GaN)的開關(guān)時(shí)間都在納秒（ns）級(jí)別，這樣的顯著優(yōu)勢(shì)是降低了開關(guān)電源的損耗，但是更短的開關(guān)時(shí)間意味著高次諧波分量的顯著增加，在橋式電路應(yīng)用中，高壓疊加高頻，上橋臂的浮地測(cè)試給工程師帶來了極大的挑戰(zhàn)。

圖2: 碳化硅（SiC）與傳統(tǒng)硅基IGBT的頻譜分布

圖2所示，相較于傳統(tǒng)硅基IGBT，碳化硅具有更高的頻率分布和高頻能量。

圖3：上臂Vgs電壓疊加共模干擾電壓Vcm示意圖

圖3所示的半橋電路中，Vgs電壓浮空在擺動(dòng)的Vcm之上，Vcm即下管的Vds，隨著下管QL的導(dǎo)通與關(guān)斷，Vcm在0V和1000V之間跳動(dòng)，一般來說Vgs在20V以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Vcm ，在測(cè)量時(shí)，我們關(guān)心的是Vgs的信號(hào)特征，這是個(gè)差模信號(hào)，此時(shí)Vcm成了共模干擾，我們不希望它出現(xiàn)在我們的測(cè)試信號(hào)中，然而事與愿違，共模干擾在電源電路中如影子一般甩不掉，無論是電源設(shè)計(jì)階段還是測(cè)試分析階段，只能想辦法盡量抑制它的份量：提升差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。抑制共模信號(hào)的能力有一個(gè)專門的指標(biāo)，即共模抑制比（CMRR)。

常見的高壓差分探頭在100KHz時(shí)，CMRR＞60dB，在1MHz時(shí)，CMRR＞50dB，但是當(dāng)頻率到達(dá)100MHz時(shí)，一般只能做到20dB左右。圖2的頻譜看出，碳化硅在100MHz時(shí)仍有巨大的能量，這可以很好的理解為什么傳統(tǒng)的高壓差分探頭無法勝任這項(xiàng)測(cè)試工作，用其測(cè)試所呈現(xiàn)出波形的準(zhǔn)確性為什么經(jīng)常受到質(zhì)疑。

圖4：碳化硅導(dǎo)通瞬間的Vgs信號(hào)波形

圖4中，黃色為高壓差分探頭在碳化硅導(dǎo)通瞬間的測(cè)試波形?？梢钥闯鲂盘?hào)產(chǎn)生了嚴(yán)重的震蕩，在紅圈處的信號(hào)電壓已經(jīng)超過碳化硅的Vgs極限值，這將導(dǎo)致器件的損壞，但是電路工作一切正常，這明顯是不符合邏輯的。

圖5：碳化硅關(guān)斷期間的Vgs信號(hào)波形

圖5所示，黃色是高壓差分探頭在碳化硅關(guān)斷期間的信號(hào)波形，紅圈處的電壓已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過碳化硅所能承受的負(fù)壓（一般在 -10V以內(nèi)），但是器件并沒有損壞，這明顯也是不符合邏輯的。

真實(shí)的Vgs信號(hào)是什么樣的？器件的性能是否達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期？開關(guān)電源電路中的碳化硅或者氮化鎵器件參數(shù)是否有安全冗余？開關(guān)損耗計(jì)算的結(jié)果是否真實(shí)？工程師的一系列疑問都指向一個(gè)共同的點(diǎn)：第三代半導(dǎo)體的測(cè)試難題。

Micsig基于SigOFIT?專有技術(shù)的光隔離探頭正好破解了這個(gè)難題。

圖6：Micsig基于SigOFIT?專有技術(shù)的光隔離探頭

在圖4和圖5中，藍(lán)色的波形為Micsig光隔離探頭測(cè)得的結(jié)果，可以看出目標(biāo)板的Vgs信號(hào)非常平滑，電路參數(shù)設(shè)計(jì)的十分完美，碳化硅器件在安全參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行。光隔離探頭能觀察到真實(shí)的波形形態(tài)，得益于極高的共模抑制能力，Micsig光隔離探頭在200MHz時(shí)，仍然有80dB的共模抑制比。

除了碳化硅之外，在針對(duì)氮化鎵的測(cè)試環(huán)境下，光隔離探頭更具有無與倫比的優(yōu)勢(shì)。氮化鎵相比碳化硅具有更短的開關(guān)時(shí)間，對(duì)測(cè)試探頭的共模抑制能力要求更高，這正是光隔離探頭的專長。差分探頭由于引線一般不少于幾十厘米，具有很大的寄生電容和天線效應(yīng)，當(dāng)用差分探頭觸及氮化鎵控制極時(shí)，劇烈的震蕩會(huì)引起氮化鎵器件瞬間燒毀爆炸（俗稱炸管），很多做氮化鎵電路設(shè)計(jì)的工程師抱怨說，一天炸管幾次是常有的事，一碰就炸，人都搞得神經(jīng)兮兮的。Micsig光隔離探頭采用MCX連接，引線極短，幾乎沒有天線效應(yīng)，寄生電容在幾pF之內(nèi)，測(cè)試氮化鎵十分安全。

Micsig光隔離探頭采用獨(dú)家SigOFIT?信號(hào)光纖隔離技術(shù)，在高壓測(cè)試情況下，很好的解決了人身安全和后端儀器的安全問題。光隔離探頭共模電壓可達(dá)60KVpk以上（完全由測(cè)試環(huán)境的絕緣物決定），光纖長度超過10米對(duì)信號(hào)也沒有影響，用戶可以定制需要定制長度，這是電纜傳輸信號(hào)的所有其他探頭不具有的特質(zhì)。