宽禁带功率电子探测的共模失真

您的任务

使用宽禁带 (WBG) 设备等快速开关的功率半导体时，经常会出现快速的高压 (HV) 摆幅。氮化镓 (GaN) 半导体等设备的上升/下降时间小于 2 ns，需要带宽高达 1 GHz 的探测解决方案。为了优化此类功率应用的信号完整性，探头的性能和频率响应需要最大程度地减少失真和信号衰减。

高压差分探头通常用于在半桥转换器应用中测量高边栅源电压中没有接地参考的信号。需要注意的是，这些探头在高频下有出色的共模抑制比 (CMRR)，有助于抑制快速变化的环境 CM 噪声。

传统高压差分探头的局限性

一个常见的误区是认为标准差分探头在整个带宽内与地面完全隔离。实际上，差分探头的差分放大器具有接地参考，在探头与测量仪器结合使用时会为 CM 信号创建回路，而这会降低探头的 CMRR 性能。虽然 4 毫米香蕉插头电缆具有功率测量所需的额定高压值，但阻抗控制和屏蔽性能不理想，尤其是在较高的频率下。因此，传统的高压差分探头通常具备高达 400 MHz 的带宽，但 CM 噪声抑制性能有所局限，大约为 -20 dB。在实际测量中，每 10 V 的 CM 信号中就有 1 V 信号会显示为噪声。

打破 CM 接地环路

为了有效测量工作电压更高、开关速度更快的 WBG 功率设备，被测设备和测量设备之间要完全电位隔离，从而限制 CM 回路并降低噪声。一种常见的隔离方法是示波器会使用电感耦合或光耦合来隔离通道。

但是，非屏蔽长电缆仍然会在信号路径中引入噪声。探头与被测设备测量点之间的距离必须尽可能短。将传统的探头前端替换成同轴前端，有助于确保合适的阻抗匹配，还可以提高测量精度。

罗德与施瓦茨解决方案

R&S®RT-ZISO 隔离探测系统：

• 带宽：100 MHz 至 1 GHz 左右
• 输入范围：±3540 V (RMS)
• CM 范围：±60 kV
• 1 GHz 时的 CMRR：90 dB
• 最高灵敏度：±10 mV 范围

R&S®RT-ZISO 隔离探测系统专用于这种测量方法。探头主体通过较短的同轴探头前端 (MMCX) 连接到被测设备，使测量信号免受 CM 噪声的影响，并保证阻抗稳定且匹配，确保探头在高达 1 GHz 的频率下也能运行。探头主体将被测信号转换成光信号并传输至探头接收机，从而打破 CM 接地环路，减少测量过程中的干扰。

在表征高边 WBG 栅源输入时，开关节点 (C3) 会对测量点应用快速开关的 CM 电压。使用传统的高压差分探头时，高边栅极电压（C4，下图左侧）会受到 CM 噪声的严重影响。

R&S®RT-ZISO 捕获相同的栅极电压（C2，下图右侧），边沿开关速度略快，噪声更小。高压差分探头中的噪声 (C4) 波动幅度很大，稳定时间更长。栅极电压的波形细节（例如米勒平台和充电时间对应的感兴趣点）可能会受到 CM 噪声的严重干扰并被其掩盖。

总结

R&S®RT-ZISO 隔离探测系统最大程度地减少了高频 CM 噪声对 WBG 功率测量的影响，确保 CMRR 性能在整个工作频率范围内都符合预期要求。探头前端的接口类型会影响整体 CMRR 性能，因此在设计产品时应考虑相关的测试要求，以便获得最佳测量结果。