引言#

随着新型宽带隙功率半导体（如氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）功率FET）的引入，高电压电路的设计和测试变得更加复杂。这些器件具有非常高的开关速度和较短的上升时间和下降时间，给测量工作带来了挑战，特别是在需要确保安全性和符合标准（如环境安全与健康（ESH）指南）时。

本文讨论了如何安全有效地测量这些高电压和高速信号，介绍了几种高电压探头的电路和性能测量方法，并展示了如何将高电压信号转换为安全水平，同时保证DC精度和高AC保真度。

测量概述#

使用探头测量电路的电压会对其产生电阻性、电容性甚至感抗性的负载，这会引入失真和反响。高频测量时，这种加载效应更加显著。类似于海森堡的不确定性原理，测量电压或电流会改变其本身的值。

对于高频电流的测量，使用低值分流电阻是常见的做法，但当频率超过10 MHz时，电阻的感抗和上升时间下的影响需要考虑。尤其是在宽带隙功率转换器件中，开关频率和上升时间非常短，因此需要重新审视探头电路的设计。

高速高电压探头电路设计#

图1展示了一个简化的10:1 10-MΩ、500 MHz示波器探头电路。其通过电阻R10、R11和R12提供9-MΩ的电阻，并通过可调的补偿电容C7来实现带宽补偿。在直流下，示波器的1-MΩ输入电阻和探头尖端的9-MΩ电阻形成10:1的分压比。为了保证1%的测量精度，测量的电路源阻抗应小于100 kΩ。

宽带隙功率FETs#

GaN和SiC FETs是近期引入的宽带隙功率半导体，能够帮助设计者实现下一代高效能和高功率密度的需求。与传统的硅（Si）器件相比，宽带隙器件具有更小的体积和更高的击穿电压。GaN FETs不具有体二极管，因此没有反向恢复电荷（Qrr），而SiC FETs虽然有体二极管，但储存的反向电荷较少。设计这些器件时需要量化损耗，特别是在电力转换架构中，如何优化门驱动电路和控制器参数，以及评估不同系统性能目标的权衡。

测量高电压波形#

在测试GaN和SiC FETs时，需要对栅极、漏极和源极的波形进行精确测量。这些器件在不同的温度下性能变化较大，例如GaN FET的动态RDS(on)效应可能在几百纳秒到几分钟之间变化。为了获得高精度的测量，需要选择合适带宽的探头并确保良好的时序匹配。

以图2所示的PFC升压拓扑为例，测量波形时可能会遇到如dv/dt >150 V/ns的快速变化和约3.5 ns的下降时间。为了保证小于2%的测量误差，探头网络和信号链的带宽应至少达到500 MHz。

探头性能优化#

图1中的探头电路通过补偿电容C7进行频率响应优化。没有补偿电容时，探头电缆的50 pF电容和示波器输入电容形成了一个低通滤波器，带宽仅为250 Hz，远低于所需的500 MHz。因此，通过调节补偿电容，可以实现平坦的频率响应。

此外，为了减少反射和提高带宽，采用带有电缆损耗的探头会提供更好的性能。这种技术早在1956年就由Tektronix公司申请了专利，其核心思想是通过增加传输路径中的损耗来减小反射，保证信号的平稳响应。

降低探头电容#

减少探头电容对于提高高频测量的准确性至关重要。一种方法是使用双同轴电缆并通过驱动屏蔽来降低信号电容。另一种方法是缩短电缆长度，并使用主动低电容、高带宽放大器。为了同时支持高电压测量，可以在放大器前加装宽带低电容的电压衰减器。

Texas Instruments的VCA824放大器就具有高输入阻抗和超过700 MHz的小信号带宽，非常适合用于此类高电压测量。

改进的探头电路设计#

图3展示了一种改进的探头电路，通过1000:1的衰减比，提供高达600 V的电压测量，并通过调整补偿电容来优化性能。使用侧面安装的2512型SMT电阻来减少电容效应，并采用微带线结构来进一步减少寄生电容。

总结#

本文介绍了一种实现高电压测量的嵌入式探头电路，支持高达600 V的电压，具备3.5 ns的上升时间和下降时间。通过使用带有低电容补偿电容的探头设计，可以有效减少电容负载，同时保持良好的带宽响应。通过时序匹配的电压和电流波形，可以准确估算功率器件的开关损耗。