是德科技解析光隔离探头构造与特性 光隔离探头的典型测试案例

目录

什么是光隔离探头？

1.

新品探头介绍

2.

高压差分探头 vs 光隔离探头

3.

光隔离探头的应用场景

宽禁带半导体市场前景

光隔离探头的典型测试案例——上管测试（high-side MOSFET measurments）

总结

什么是光隔离探头？

光隔离探头是一种使用光传输信号，将探头的参考电压与示波器的参考电压（通常指接地）隔离，能够抑制高共模电压，使工程师能够在高压、噪声环境中准确、安全地测量浮地信号的探头。

1. 新品探头介绍

是德科技推出了一系列全新的光隔离探头，专为提升宽禁带半导体氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等快速开关器件的测试效率和准确性。这些探头适用于功率转换、电机驱动和逆变器等领域，特别是在验证半桥和全桥架构时，能够测量高共模电压下的微小差分信号。

图1：PS0008A 1GHz 带宽光隔离探头（新品）

图2：PS0004A/6A/8A 探头构造

差分电压 (Max Differential Voltage)

+/- 2500V (AC peak + DC)

带宽 (Bandwidth)

350 MHz, 700 MHz, 1 GHz

共模抑制比 (CMRR)

DC

100 MHz

1 GHz

160 dB

>85 dB

80 dB

CM Voltage Range

+/- 60000 V

图3：光隔离探头核心指标

2. 高压差分探头 vs 光隔离探头

高压差分探头在电源测试应用中非常普遍。不过相比于光隔离探头，在宽禁带半导体等开关速度变化快，共模电压跳变快等驱动测试时，甘拜下风！

主要体现在以下四点：

带宽限制：

高压差分探头通常设计用于处理高电压信号，但它们的带宽可能不如光隔离探头。这意味着在需要高频率信号测量的应用中，高压差分探头可能无法提供足够快的响应时间。

共模干扰抑制能力：

虽然高压差分探头设计用于测量差分信号，并在一定程度上抑制共模干扰，但会随着被测信号的频率升高而急剧下降。而光隔离探头能够在很宽的频率范围内具有很高的共模抑制比（CMRR），提供更好的共模干扰抑制能力。

测试精度：

传统的差分探头一般共模耐压和差模耐压相同，在测量上管驱动信号时，需要根据较大的共模电压选择探头的电压范围，严重影响测试精度，光隔离探头在所有的差分电压范围下，均可达到60000 V 共模电压，可以选择合适的差模电压范围的探头前端进行准确的测量。

安全性：

高压差分探头在测量高电压时，用户仍然需要与高压电路有直接的电气连接，这可能会带来安全风险。相比之下，光隔离探头由于电气隔离的特性，可以为测试人员提供更高的安全保护，特别是在处理极高电压时。

图4：光隔离探头相于高压差分探头的优势

3. 光隔离探头的主要应用场景

光隔离探头主要应用于电动汽车、再生能源以及功率半导体领域。可用于 MOSFETs、IGBTs以及宽禁带半导体 SiC、GaN的测试。主要测试应用：

a. 基于GaN和SiC的转换系统设计分析

b. 电机驱动设计

c. EMC测试

d. 电流分流器测量

三大主要应用  (电动汽车/再生能源/功率半导体)

宽禁带半导体市场前景

SiC器件市场预计将在2029年达到超过100亿美元，复合年增长率（CAGR）为25%。纯电动车（BEV）仍将是SiC的主要市场驱动力，汽车与移动出行将占据整个SiC器件市场的80%以上。

图6：2023-2029 SiC 市场前景预测

提到GaN，大家都会想到GaN 充电器。在未来五年内，消费类应用（快充）将继续占据GaN功率器件市场的最大份额，并成为市场的主要驱动力。到2028年，这一领域将占据总市场的64%以上。

图7：2022-2028 GaN 市场前景预测

注：图6和图7来源：Power SiC and GaN Compound Semiconductor Market Monitor Q1 2024

光隔离探头的典型测试案例——上管测试 (high-side MOSFET measurments)

当用户进行开关电源上管Vgs驱动信号测试时，传统的高压差分探头受制于较低的共模抑制比，较小的差分Vgs信号（一般2-15V以内）很容易受到较大共模电压（一般数百-数千V）影响，同时我们并不能用适合2-15V电压范围的差分探头进行测试因为它们的共模耐压也是同样水平，一般需要用等同共模电压的差分探头进行测试，这也给测试带来了很多额外噪声，而光隔离探头完美的解决了这些问题，下图8是一个SiC MOSFET 在母线电压为60V的时候传统的高压探头和光隔离探头的上管驱动信号测试结果对比，可以看到传统差分探头测试结果震荡非常的多，请注意这个对比只使用了60V共模电压。如果母线电压越高，震荡将会更激烈！

图8：使用高压探头（绿色）和光隔离探头（黄色）测Vgs 的对比

ATTENTION：如果你考虑将示波器浮地以节省成本，我们强烈建议你不要这样做，因为这存在安全隐患。此外，由于示波器对地的电容问题，其共模抑制比（CMRR）通常较低。

图9：上管测量典型连接图

(光隔离探头目前适配MXR/EXR系列中端示波器)

注：Vgs 是指开启功率半导体器件所需的电压，而Vds 是指器件上的电压降，即在不损坏器件的情况下可以安全施加的最大电压。

总结

是德科技光隔离探头具有高达1 GHz的带宽、±2500 V的差分电压范围以及高达160 dB的共模抑制比能力，比高压探头高100 dB的共模抑制能力，使其成为高压、上管测量的理想选择！将显著推动电动汽车(EV)、可再生能源、功率半导体等高压领域在开关损耗测试方面的技术进步。是德科技致力于为客户提供最佳的电源测试技术，以实现下一个突破！

关于是德科技

是德科技（NYSE：KEYS）启迪并赋能创新者，助力他们将改变世界的技术带入生活。作为一家标准普尔 500 指数公司，我们提供先进的设计、仿真和测试解决方案，旨在帮助工程师在整个产品生命周期中更快地完成开发和部署，同时控制好风险。我们的客户遍及全球通信、工业自动化、航空航天与国防、汽车、半导体和通用电子等市场。我们与客户携手，加速创新，创造一个安全互联的世界。