光隔離探頭在功率半導(dǎo)體測試的一些誤區(qū)探討

光隔離探頭主要用于開關(guān)電源、逆變器、充電樁、變頻器、電機驅(qū)動等由功率半導(dǎo)體組成的高壓高頻電路的測試，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)域有一個共同的特點就是高壓擺率（dv/dt）。

傳統(tǒng)測試高壓電路一般用高壓差分探頭來完成；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、低開關(guān)損耗方面發(fā)展；從最終電路性能方面來說，就是電壓越來越高，開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時間越來越短，通過電流越來越大。

圖：功率半導(dǎo)體器件發(fā)展方向

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

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

下面就這些誤區(qū)做一個總結(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伏的共模電壓，所以能測幾萬伏的差模電壓。

共模電壓：共模電壓是相對探頭來說的；這個電壓一般以大地為參考，探頭的正負輸入端同時被浮空于大地的電壓就是共模電壓，探頭所標示的共模電壓大小，就是探頭的最大隔離電壓。

一般為了安全起見，探頭的隔離電壓必須大于被測電路的最高電壓，以保護人身和設(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試的信號電壓。

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保證安全，同時希望高壓差分探頭在測試不同大小的差模信號時保持較高的信噪比，但是高壓差分探頭的硬件分壓比是無法改變的，所以在差模信號幅度較低時信噪比也同步降低。

光隔離探頭由于是光電隔離的，共模電壓可以高達幾萬伏，差模電壓可以用不同的衰減器來適配，從毫伏級到幾千伏，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；

2.通過****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，與光隔離探頭無關(guān)。

誤區(qū)2

信號沒有高頻

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

這種理解是沒有基波和諧波的概念，把開關(guān)頻率和信號頻率混淆了。這里說的高頻，是信號中的高頻分量，不是開關(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，開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷過程的時間可以小到幾個納秒，這就導(dǎo)致由功率器件構(gòu)成的橋式電路的中點有很高的高頻能量，因此在測試寬禁帶半導(dǎo)體上管的Vgs或者Vge信號時，存在高頻高壓的共模干擾。

這下我們知道了，這個信號中的高頻，是信號中的高頻分量，和開關(guān)頻率沒有關(guān)系；就算開關(guān)頻率是1Hz，信號中仍然會存在高頻分量。

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

在一家規(guī)模不大的功率半導(dǎo)體測試設(shè)備公司，筆者親眼看到他們將差分探頭的帶寬限制在5MHz用來測試IGBT的門極信號Vge，因為他們沒有考慮到信號中的高頻分量，測出來示波器上的波形十分干凈平滑。這樣的測試結(jié)果讓工程師表示十分滿意，但是這樣的測試設(shè)備會給IGBT生產(chǎn)線帶來測試隱患，一些隱含的高頻尖峰可能會被錯過。

在東莞松山湖的一家功率半導(dǎo)體測試實驗室，工程師正在對氮化鎵器件做測試驗證，與上一個案例不同的是，他們懷疑高頻異常信號的存在，但是無法看見他們。因為用高壓差分探頭無法測試上管，當他們用500MHz帶寬的光隔離探頭測試上管的Vgs時，發(fā)現(xiàn)了高達580MHz的震蕩信號，這個震蕩來自于板子寄生和器件的共同作用，要想更準確的觀察與測量，需要帶寬1GHz的探頭才能勝任。

總結(jié)：

1.信號頻率不等于開關(guān)頻率；

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

誤區(qū)3

高頻共模抑制能力****

每一個共模抑制比指標，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很快變差。相對來說，光隔離探頭的共模抑制能力會比高壓差分探頭好很多。但是不要陷入一個誤區(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現(xiàn)直流160dB以上、低頻140dB以上的目標。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，舉個例子：

假設(shè)測試氮化鎵電路，共模信號電壓是500V，dv/dt=250V/ns，要抑制這樣的共模干擾，如果CMRR=60dB，探頭會輸出500mV的共模干擾疊加到差模信號上，對差模信號有明顯的影響，如果CMRR=80dB，探頭會將50mV的共模干擾疊加到差模信號上，對差模信號的影響還是不可忽略，如果CMRR=100dB，探頭只會殘留5mV的共模干擾，對差模信號來說完全可以忽略。（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，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，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.為了確保測試結(jié)果的真實性，光隔離探頭在10MHz至1GHz頻段CMRR至少在100dB附近，低于這個值，光隔離探頭****就失去了最核心的價值——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，需要謹慎選擇。

誤區(qū)4

帶寬誤區(qū)****

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

還有一種誤區(qū)：信號有多高的頻率，就選擇多大帶寬的探頭和示波器。這個誤區(qū)也會帶來測試誤導(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得準確。我們先來看看帶寬的定義：

帶寬：也叫標稱帶寬或者-3dB帶寬。一個探頭（或者示波器）測試信號時，當輸出信號幅度衰減至-3dB(即輸入幅度乘以0.707）時的頻率，就是這個探頭的最大頻率，一般將這個最大頻率向下取整，定為這個探頭的標稱帶寬。

這個-3dB衰減，就產(chǎn)生了30%的測量誤差。所以，標稱帶寬是不保證測試精度的。什么情況下才能保證測試精度呢？有傳說中的5倍法則、4倍法則，說法不一，就是說取信號中的最高頻率乘以5倍或者4倍來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，選擇能滿足測試精度的就好。

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

圖：探頭快沿響應(yīng)波形

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

總結(jié)：

1.探頭的標稱帶寬是不保證測試精度的，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帶寬翻倍。

誤區(qū)5

測試精度誤區(qū)

無論是探頭還是示波器，都會標示一個精度：DC增益精度，許多工程師誤認為這就是這臺設(shè)備的測試精度。事實上這僅僅代表直流精度而已，不代表交流的精度。

下面來闡述一下測試精度問題。

D****C增益精度：一般測試儀器會給出這個指標，就是測試直流信號時能保證的測試精度。作為光隔離探頭來說，這個指標有用，但不是核心指標；誰會用光隔離探頭來作為直流信號的主要測試手段呢，用萬用表既準確又經(jīng)濟不香嗎？

探頭在什么頻率情況下才能保證測試精度，基本沒有廠商提及這個指標，這給測試儀器市場帶來了一定混亂。其實需要給探頭或者示波器提出另一個指標：有效精度帶寬，這個指標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試的結(jié)果可以信賴。

有效精度帶寬：在給定測試精度指標的情況下，探頭保證該測試精度的最大帶寬。

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

與有效精度帶寬相對應(yīng)的，還有一個指標：帶寬增益精度。

帶寬增益精度：在有效精度帶寬范圍內(nèi)****探頭的測試精度。

例如上面的型號的探頭，帶寬增益精度是1.5%。

圖：MOIP500P 實測幅頻特性曲線

一般工程師有沒有手段來檢驗自己手中探頭的有效精度帶寬呢？一般有以下兩個辦法：

辦法1：用能產(chǎn)生高頻正弦波的標準信號源，從低頻到高頻輸入給探頭，看探頭輸出幅度的變化，并與標準值進行比較計算誤差。

辦法2：自己沒有條件的情況下，找正規(guī)檢測機構(gòu)測試探頭的幅頻特性數(shù)據(jù)，但是這會產(chǎn)生一定檢測費用（在數(shù)據(jù)不理想的情況下可以讓探頭廠商承擔費用，并作為退貨依據(jù)）。

總結(jié)：

1.打個確切的比方，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，做到測試精度心中有數(shù)。

2.用標準信號源驗證測試設(shè)備的各項指標，這比猜想和設(shè)備間相互對比更科學(xué)。




審核編輯：劉清