【導讀】碳化矽（SiC）技術已超越傳統的矽（Si）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）應用，因為它具有大功率係統的主要熱和電氣優勢。這些優勢包括更高的開關頻率、更高的功率密度
、更好的工作溫度、更高的電流/電壓能力以及整體更好的可靠性和效率。SiC器件正在迅速取代基於矽的組件和模塊，作為係統升級和係統設計的新選擇。

碳化矽（SiC）技術已超越傳統的矽（Si）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）應用，因為它具有大功率係統的主要熱和電氣優勢。這些優勢包括更高的開關頻率、更高的功率密度
、更好的工作溫度
、更高的電流/電壓能力以及整體更好的可靠性和效率。SiC器件正在迅速取代基於矽的組件和模塊，作為係統升級和係統設計的新選擇。

借助 WolfPACK 係列壓接引腳
、無底板模塊，設計人員可以隨時進行行業標準的 SiC 升級，用於提高係統可靠性同時降低 BOM 和維護成本的設計。

SiC器件市場涵蓋廣泛的功率和應用（電動汽車充電，太陽能和風能等能量收集，電源逆變器
，工業電源
，數據中心）。在低端 （1–50 kW），分立式 MOSFET 有助於最大限度地提高拓撲靈活性，實現多源功能，並最大限度地降低總 BOM 成本。對於中等功率範圍（20–150 kW），WolfPACK 係列功率模塊提供行業標準封裝
，可根據需要進行擴展
，並且仍然提供靈活的解決方案和拓撲。在高端（150-600 kW+）
，存在高功率模塊

，例如XM3係列
，可以擴展以滿足各種直流母線配置的高功率需求。

與(yu)大(da)多(duo)數(shu)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)一(yi)樣(yang)，需(xu)要(yao)在(zai)開(kai)發(fa)過(guo)程(cheng)中(zhong)動(dong)態(tai)表(biao)征(zheng)和(he)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)。通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)關(guan)鍵(jian)信(xin)號(hao)和(he)參(can)數(shu)，然(ran)後(hou)調(tiao)整(zheng)布(bu)局(ju)和(he)組(zu)件(jian)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)這(zhe)些(xie)高(gao)性(xing)能(neng)SiC的優勢，並生成更可靠
、更高效的係統。對於來自低電壓和低速矽器件的工程師來說
，測量和優化某些特性（如柵極驅動性能、開關能量和損耗、死區時間、振鈴/振蕩和效率）可能具有挑戰性。重要的是
，用於驗證/確認以量化和鑒定數據的設備和測量方法必須準確，並且足夠快，以跟上高開關速度。

本文將重點介紹測量SiC相關信號的方法
，並推薦相關設備，同時演示Wolfspeed的CAB011MI2FM3半橋功率模塊的示例。

通過柵極和漏極電壓測量進行碳化矽驗證

MOSFET 開關的動態測量有三個主要領域，可以正確驗證器件：柵極-源極電壓 （VGS）、漏源電壓（VDS） 和電流。根據這些參數
，工程師可以確定（和優化）能量和開關損耗
、柵極特性和穩定性、定時/開關速度以及過衝/振鈴。

測量SiC功率器件的柵極電壓具有挑戰性，因為它是一個低壓信號，通常以節點為參考
，相對於示波器接地可能具有高直流失調和高dV/dt。由於電路接地和示波器/探頭接地之間的寄生阻抗

，快速瞬變可能會引入錯誤讀數，因此需要與地解耦並具有大共模抑製比的器件。較新的光隔離探頭（如圖2所示）可以比現有的差分探頭更準確地捕獲柵極電壓測量值。

將jiang光guang隔ge離li探tan頭tou與yu更geng傳chuan統tong的de差cha分fen探tan頭tou進jin行xing比bi較jiao時shi，由you於yu基ji準zhun電dian壓ya的de變bian化hua在zai探tan頭tou內nei感gan應ying共gong模mo電dian流liu

，柵zha極ji差cha分fen探tan頭tou上shang的de振zhen鈴ling通tong常chang要yao多duo得de多duo。這zhe可ke能neng會hui使shi設she計ji人ren員yuan在zai嚐chang試shi區qu分fen可ke歸gui因yin於yu被bei測ce器qi件jian的de行xing為wei與yu探tan頭tou本ben身shen的de偽wei影ying時shi變bian得de困kun難nan。如ru果guo誤wu解jie，測ce量liang偽wei影ying可ke能neng會hui導dao致zhi設she計ji人ren員yuan增zeng加jia柵zha極ji電dian阻zu，以yi減jian慢man開kai關guan速su度du並bing減jian少shao振zhen鈴ling。柵zha極ji上shang的de錯cuo誤wu測ce量liang通tong常chang需xu要yao顯xian著zhu降jiang低didV/dt才能消除，從而大大增加損耗，而沒有實際好處。可以理解的是，確保電壓探頭準確反映係統的實際動態至關重要。

圖3顯(xian)示(shi)了(le)差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)和(he)測(ce)量(liang)柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)的(de)光(guang)隔(ge)離(li)探(tan)頭(tou)的(de)比(bi)較(jiao)。從(cong)波(bo)形(xing)來(lai)看(kan)，標(biao)準(zhun)差(cha)分(fen)探(tan)頭(tou)引(yin)入(ru)了(le)實(shi)際(ji)上(shang)不(bu)存(cun)在(zai)的(de)額(e)外(wai)振(zhen)鈴(ling)和(he)振(zhen)蕩(dang)。光(guang)學(xue)隔(ge)離(li)探(tan)頭(tou)表(biao)現(xian)出(chu)更(geng)清(qing)晰(xi)的(de)行(xing)為(wei)，從(cong)而(er)能(neng)夠(gou)更(geng)好(hao)地(di)了(le)解(jie)設(she)備(bei)動(dong)態(tai)。

圖 3：用於 MOSFET 柵極電壓的差分探頭（藍色）與 IsoVu 光隔離探頭（黃色）

raner，shiyongchafentantouyouyixiehaochu，lirukuadianluderenyijiedianjinxingceliang。dangshiyonglouyuandianyatantoushi，bixuyifangzhiduogejiedidiandefangshicankaoxitong。tu4顯示了一個接地參考探頭，該探頭將其屏蔽連接到示波器的接地。這可能導致探頭參考上的接地電流很小
，並降低測量精度。在SiC設計中，對於高dV/dt，由於寄生電流在示波器探頭接地參考中流動，這種效應可能會加劇。

使用電流觀察電阻（CVR）時，設置接地變得更加重要。如果在不考慮CVR的情況下直接測量VDS，則由於相對於示波器的多個參考點，可能會引入意外行為。如果重新定位CVR，使其參考點與VDS測量的參考點對齊（提供反轉信號
，可通過示波器進行調整），則將消除接地環路，從而提高精度。

有關探頭接地不良的示意圖，請參見圖5。在此圖中，兩個以地為參考的探頭連接到不同電壓電平的基準電壓源。這會導致器件電流繞過CVR並bing流liu過guo接jie地di引yin線xian和he示shi波bo器qi，從cong而er導dao致zhi讀du數shu錯cuo誤wu並bing可ke能neng損sun壞huai設she備bei。通tong常chang，建jian議yi使shi用yong差cha分fen探tan頭tou測ce量liang漏lou源yuan電dian壓ya
，因yin為wei它ta們men消xiao除chu了le大da多duo數shu接jie地di問wen題ti。

圖 5：漏源到源極測量的探頭接地不正確的示例

如上圖所示
，CVR可用於對MOSFET進行電流測量。測量電流的另一種方法是使用羅氏線圈，因為它可以很容易地以非侵入性方式添加到電路中。Rogowski線圈的缺點是它們通常具有明顯的帶寬限製，由於快速切換，通常不適合基於SiC的測量。

圖6顯示了羅氏線圈帶寬的限製以及它如何影響測量的開關能量。CVR 提供高帶寬和精確的電流測量，但它們也有其自身的一係列挑戰。這包括需要額外的串聯元件，這可能需要在PCB布局期間進行仔細規劃，並從PCB增加不需要的寄生電感。在表征SiC MOSFETdekaiguanxingweishi
，lejietantoudejuxianxingfeichangzhongyao。lejiesuoyongtantoudeshidangpinlvfanweiheyonglijiangyouzhuyuquebaozaizhengquedeqingkuangxiashiyongzhengquedetantou。ruqiansuoshu，luoshixianquanzaicharugaopindianyuanhuanlushihuishaobaokaiguansunhao
，dantamenshiceliangxiangwei/電感電流的絕佳探頭。另一方麵，CVR不是嚐試表征逆變器輸出電流的最佳選擇，因為它難以插入，穩態電流限製和缺乏隔離。

圖 6：激進開關條件下探頭（CVR 與羅氏線圈）的比較

探頭去偏斜和連接技術的重要性

除chu了le使shi用yong具ju有you足zu夠gou帶dai寬kuan和he噪zao聲sheng抑yi製zhi的de探tan頭tou外wai，還hai必bi須xu及ji時shi糾jiu偏pian探tan頭tou，以yi確que保bao電dian壓ya和he電dian流liu信xin號hao具ju有you匹pi配pei的de延yan遲chi。如ru果guo不bu進jin行xing去qu偏pian斜xie
，錯cuo誤wu的de測ce量liang會hui導dao致zhi開kai關guan能neng量liang計ji算suan誤wu差cha超chao過guo30%。在去偏斜之前
，重要的是自動歸零並根據需要校準探頭。

通過將V DS和VGS的電壓探頭連接到函數發生器並使用方波檢查電流
、柵極電壓和漏極電壓信號的上升沿和下降沿是否對齊，可以對這兩個探頭進行去偏斜。該過程也可以與使用測試電路板（測試夾具）的電流探頭一起執行，以補償兩個探頭之間的時序差異。圖7顯示了這種電路板的示例。

在 執行 柵 極 測量 時， 必須 考慮 從 功率 轉換 模 塊 捕獲 的 信號 的 連接 性 和 清潔 度。MMCX提供了一種模塊化的預製器件連接方法，而方形引腳方法具有一個適用於不同PCB實現的連接器。

MMCX 連接器符合行業標準
，提供高保真度和良好的屏蔽接地路徑。為了獲得最佳性能
，連接器應盡可能靠近被測電壓節點插入。當 MMCX 連接器不可用時，下一個最佳方法是使用可以適應行業標準方形引腳的尖端電纜。上圖所示的適配器具有用於連接到IsoVu探頭尖端的MMCX插孔，當探針尖端適配器盡可能靠近電路板時，可實現最佳性能。

TIVP 係列探頭還提供方形引腳式 0.100“ 間距適配器
，能夠測量大差分電壓，並為免提操作提供簡單、安全的連接。

理想情況下
，測試點是預先確定的，並集成到柵極驅動器或評估板的PCB布局中，例如Wolfspeed KIT-CRD-CIL12N-FMC。當沒有足夠的測試點可用但需要連接到信號進行測試時，可以通過以下程序/指南添加計劃外測試點：

在額定電壓允許的情況下使用 MMCX 連接器。
將連接器放置在盡可能靠近 IC 或組件的位置。
保持任何所需的飛線短或不存在。
使用非導電熱膠、Kapton 膠帶或類似材料機械加固連接器

結論

總而言之，與傳統矽組件相比
，SiC技術推動電力電子係統更小、更快、更(geng)高(gao)效(xiao)。從(cong)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)充(chong)電(dian)和(he)太(tai)陽(yang)能(neng)等(deng)環(huan)保(bao)行(xing)業(ye)到(dao)高(gao)功(gong)率(lv)逆(ni)變(bian)器(qi)和(he)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)，應(ying)用(yong)範(fan)圍(wei)廣(guang)泛(fan)
，正(zheng)確(que)測(ce)試(shi)和(he)表(biao)征(zheng)不(bu)僅(jin)要(yao)確(que)保(bao)可(ke)靠(kao)性(xing)，還(hai)要(yao)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)SiC實現的效率和功率密度，因此變得非常重要。

IsoVu 隔離式探測係統提供浮動
、非接地差分探測體驗，非常適合柵極測量，而 5 係列 MSO 示(shi)波(bo)器(qi)是(shi)一(yi)種(zhong)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)示(shi)波(bo)器(qi)
，非(fei)常(chang)適(shi)合(he)在(zai)存(cun)在(zai)更(geng)高(gao)電(dian)壓(ya)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)測(ce)試(shi)小(xiao)電(dian)壓(ya)。測(ce)量(liang)漏(lou)源(yuan)電(dian)壓(ya)時(shi)，請(qing)確(que)保(bao)接(jie)地(di)不(bu)會(hui)導(dao)致(zhi)寄(ji)生(sheng)電(dian)流(liu)回(hui)流(liu)到(dao)探(tan)頭(tou)中(zhong)。

考慮CVR和he羅luo氏shi線xian圈quan在zai測ce量liang電dian流liu方fang麵mian的de區qu別bie，以yi及ji開kai關guan條tiao件jian如ru何he導dao致zhi錯cuo誤wu的de測ce試shi結jie果guo。驗yan證zheng探tan頭tou是shi否fou正zheng確que去qu偏pian斜xie，以yi確que保bao電dian壓ya和he電dian流liu信xin號hao具ju有you匹pi配pei的de延yan遲chi。提ti供gong參can考kao設she計ji和he評ping估gu套tao件jian以yi幫bang助zhu指zhi導dao工gong程cheng師shi完wan成cheng設she計ji過guo程cheng
，而er 5-PWR 等軟件套件設計用於在 5 係列 MSO 示波器上運行自動化
、準確且可重複的功率測量。

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