用差分探头测试SIC碳化硅/GaN氮化镓上管驱动VGS波形震荡原因分析

SiC、GaN作为新一代功率半导体器件，性能远优于传统硅器件，可让功率变换器实现更高效率、功率密度与更低系统成本，但极快的开关速度给使用和测量带来挑战，测量失误会直接影响器件评估准确性、电路设计性能与安全及项目推进速度。其中半桥电路上桥臂器件栅极驱动电压VGS的开关过程与串扰测量是动态特性测量的难点，无法使用无源探头测量，既存在安全风险也无法获得准确结果，通常采用高压差分探头测量，但是往往测试结果差强人意。

使用高压差分探头对上桥SIC器件开关过程驱动信号VGS进行测量，其结果如下：

从上述测得的VGS波形能看出，测量结果存在两处明显问题：一是波形震荡非常剧烈，震荡尖峰超出了器件栅极的耐压范围，会损害栅极寿命，威胁器件使用安全；二是波形噪声水平高，整体曲线显得粗钝模糊。

使用ZL隔离探头对上桥SIC器件开关过程驱动信号VGS进行测量，其结果如下：

从上图结果能够清晰看出，改用‌ZL隔离探头‌测量后，开关过程中VGS波形的震荡得到了明显抑制，震荡幅度始终控制在器件栅极的耐压范围内，同时波形也变得干净清晰。

可见如果始终纠结高压差分探头测出的结果，只会被错误波形误导，平白耗费时间精力,

高压差分探头在测试该场景下不适用的主要原因分为两点：

1、共模抑制比（CMRR）是衡量探头抗共模信号干扰能力的指标，单位为dB，数值越小抑制能力越强。高压差分探头的CMRR会随信号频率升高急剧下降，典型产品在1MHz时CMRR为-50dB，1GHz时降至-20dB，难以适配SiC、GaN器件高速开关带来的快速共模电压跳变场景；而隔离探头在宽频率范围内CMRR表现优异，1MHz时达-140dB，500MHz时仍保持-70dB，可有效避免共模干扰引发的波形震荡。

2、高压差分探头前端十几厘米的长接线，会因电感效应引入额外震荡，还会因天线效应接收干扰磁场导致测量错误；隔离探头则通过紧凑的前端连接件，大幅缩短接线长度、减小接线回路面积，从根源上规避了这些问题，保障测量结果准确。

判断探头是否适配VGS测试，核心要核查三个关键参数和一个场景适配性，满足要求才能保证测试准确安全：

1、‌带宽满足要求‌：探头带宽必须≥被测信号频率的‌5倍‌，对应公式为：带宽 ≥ 5 × (0.35 / 信号上升时间)。SiC/GaN器件开关速度快，要求探头带宽至少200MHz以上，否则会导致波形失真、上升沿畸变。

2、‌共模抑制比(CMRR)达标‌：双脉冲或半桥测试中，要求CMRR＞120dB，高频（500M频段）下也需保证不低于80dB，否则会引入共模噪声，导致波形震荡粗钝。

3、‌匹配量程‌：高压侧Vds测试选支持±1500V以上避免击穿；低压侧VGS测试±50V保证测试精度。

综上所述：测试半桥/全桥上管VGS信号‌优先选隔离探头‌‌核心优势‌：它能实现电气隔离，全带宽内共模抑制比可达120dB以上，高频段也能维持70dB+，可有效抑制SiC、GaN这类高速器件开关时产生的快速跳变共模电压，避免波形震荡；同时寄生电容通常在1pF以内、寄生电感极低，不会引入额外位移电流或电压振荡，能真实还原纳秒级开关速度器件的电压波形；还能在高干扰环境下保持测量精度，避免接地回路、高压泄漏风险。

‌可选高压差分探头（需满足特定条件）‌

‌适用场景‌：仅在被测信号频率较低（如低于100MHz）、共模电压变化较慢的场景下考虑。

‌注意要点‌：要选择带宽≥被测信号频率5倍的型号，且共模抑制比需＞60dB；同时利用其在线调零、全量程偏置电压消除技术，精准测量纹波电压，但需注意它在高频下CMRR会急剧下降，无法适配高速器件场景。

审核编辑 黄宇