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GaN/SiC 时代的高速高压测量技巧与探头设计
1. 测量中的“海森堡效应”：加载效应分析
在高频（>100MHz）环境下，探头不再是理想的电压采集器，而是一个复杂的 RLC 负载。
- 阻抗加载：典型的 10MΩ 探头在 DC 时表现优异，但在 500MHz 时，其输入电容（哪怕只有 10pF）的容抗 仅为约 31.8Ω。这会显著改变被测电路的上升沿斜率。
- 感抗风险：长达几厘米的接地弹簧线（Ground Lead）会引入约 10-20nH 的电感，与探头电容形成谐振，在开关瞬态产生严重的受迫振铃。
2. 宽禁带半导体对测量的极端要求
GaN 和 SiC 器件的核心优势在于极低的开关损耗，但这对测量提出了近乎苛刻的要求：
- 零反向恢复（）：GaN 的这一特性使开关速度极快。
- 带宽预算：若信号上升时间 ，根据经验公式 ，测量系统的带宽至少需达到 100MHz 才能看到波形，而要实现 <2% 的误差，带宽需达到信号基频的 5 倍，即 500MHz。
3. 高压探头电路的设计与补偿逻辑
图 1 展示了典型的无源探头设计，其核心挑战在于平衡衰减比例与频率补偿。
3.1 补偿电容（C7）的物理意义
如果没有补偿电容，探头电缆电容（约 50-100pF）将与高阻分压电阻形成一个低通滤波器，截止频率可能仅为几百赫兹。
- RC 平衡原理：必须满足 。通过调节补偿电容，使高频分压比与 DC 分压比保持一致。
3.2 损耗电缆技术（Lossy Cable）
为了抑制传输线反射，高性能探头电缆通常使用镍铬合金（Nichrome）芯线代替铜线。这种分布式的电阻损耗可以有效吸收高频反射波，确保脉冲响应的平滑。
4. 针对 GaN 的嵌入式探头改进方案
对于 PCB 集成的嵌入式测量，我们可以采用更激进的优化手段：
4.1 降低寄生电容的布局技巧
- 电阻选型：使用 2512 型 SMT 电阻，并采用侧向安装（Side-mounted）或多个电阻串联，以减小焊盘间的并联寄生电容。
- 微带线结构：信号传输路径采用受控阻抗的微带线，减少阻抗不连续性。
4.2 主动式高带宽设计
为了同时实现高输入阻抗和极低电容，可以在分压网络后级加入超高速运算放大器（如 TI VCA824）。
- 性能优势：VCA824 提供 >700MHz 带宽，可直接驱动 50Ω 示波器负载，极大降低了由于电缆长度引起的电容加载。
5. 高压侧（High-Side）测量的特殊挑战：CMRR
在测量桥式电路的高侧栅极驱动电压（）时，探头必须承受巨大的共模电压抖动。
- 共模抑制比（CMRR）：普通的差分探头在高频率下 CMRR 会剧降，导致开关噪声掩盖真实的驱动信号。
- 隔离方案：推荐使用光隔离探头（如 Tektronix IsoVu），其通过光纤传输信号，彻底切断共模路径，是目前测量 GaN 上管波形的黄金标准。
6. 总结
高速高压测量是一门平衡的艺术。通过以下步骤可优化测量质量：
- 缩短接地路径：抛弃鳄鱼夹，使用最小长度的接地弹簧或直焊测试点。
- 精确补偿：在测试前务必在实际测量电压范围内校准探头补偿。
- 带宽预留：确保示波器与探头的整体带宽至少为信号上升时间倒数的 3-5 倍。
- 功率计算：通过时序匹配的 和 乘积积分，可以准确量化 GaN 器件的开关损耗。
GaN/SiC 时代的高速高压测量技巧与探头设计
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