泰克4/5/6系列MSO示波器測(cè)量GaN動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻Rds(on)

在追求更高效率、更高功率密度的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，寬禁帶半導(dǎo)體（GaN、SiC）器件扮演著越來(lái)越關(guān)鍵的角色。然而，理解這些器件在高速開(kāi)關(guān)過(guò)程中的真實(shí)性能，特別是其動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻（RDS(on)），一直是設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)。動(dòng)態(tài)RDS(on)揭示了電荷俘獲效應(yīng)的影響，直接影響器件的傳導(dǎo)損耗和效率。傳統(tǒng)測(cè)量方法依賴硬件鉗位電路，不僅引入誤差源，也增加了測(cè)試復(fù)雜度和成本。泰克公司推出的創(chuàng)新性軟件鉗位方法，集成于其4/5/6系列MSO示波器的寬禁帶雙脈沖測(cè)試 (WBG-DPT) 軟件中，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外部鉗位電路的動(dòng)態(tài)RDS(on)高精度測(cè)量。

什么是動(dòng)態(tài)RDS(on)?

動(dòng)態(tài)RDS(on)是指場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）在開(kāi)關(guān)過(guò)程中處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，其漏極(D)與源極(S)端子之間的平均電阻。它是計(jì)算傳導(dǎo)損耗的核心參數(shù)，由公式定義：

它反映了開(kāi)關(guān)周期導(dǎo)通階段該比值的平均特性。電荷俘獲現(xiàn)象（尤其在GaN器件中可能導(dǎo)致顯著的“電流崩塌”）是動(dòng)態(tài)RDS(on)變化的主要根源。

RDS(on) 波形表征FET導(dǎo)通狀態(tài)下，漏源電壓(VDS)與漏極電流(ID)的動(dòng)態(tài)比值關(guān)系

測(cè)量動(dòng)態(tài)RDS(on)的傳統(tǒng)難點(diǎn)在于同時(shí)精確捕捉高幅值開(kāi)關(guān)電壓和微小導(dǎo)通電壓：

分辨率沖突

開(kāi)關(guān)電壓 (VDS) 可達(dá)數(shù)百甚至上千伏（如800V），而導(dǎo)通電壓 (VDS(on)) 通常僅為幾伏或更低（如10V）。使用示波器高量程（低靈敏度）捕獲完整VDS范圍，會(huì)導(dǎo)致VDS(on)區(qū)域的ADC量化誤差占比過(guò)大，分辨率嚴(yán)重不足。

過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)

若為提高分辨率直接使用高靈敏度（低V/div）設(shè)置測(cè)量VDS(on)，當(dāng)高壓開(kāi)關(guān)信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，會(huì)過(guò)載差分探頭或示波器輸入放大器，在過(guò)載恢復(fù)期間產(chǎn)生不可靠數(shù)據(jù)。

高速開(kāi)關(guān)

GaN/SiC器件極快的開(kāi)關(guān)速度（dv/dt, di/dt）放大了探頭寄生參數(shù)（電感、電容）引起的信號(hào)畸變，需要關(guān)注穩(wěn)定時(shí)間。

傳統(tǒng)解決方案依賴外部二極管鉗位電路削去高壓部分。但這會(huì)引入額外寄生參數(shù)（L, C, R）、RC時(shí)間常數(shù)導(dǎo)致的電壓偏移、潛在的電壓峰值以及額外的成本和復(fù)雜性。

高幅值的VDS與微小的導(dǎo)通態(tài)電壓使得RDS(on) 的測(cè)量極具挑戰(zhàn)性。這一新方法通過(guò)校正實(shí)現(xiàn)了高靈敏度測(cè)量

WBT-DPT測(cè)量自動(dòng)化軟件中的新軟件鉗位技術(shù)使設(shè)計(jì)人員能夠使用手頭已有的設(shè)備快速測(cè)量動(dòng)態(tài)RDS(on)。

創(chuàng)新方案：軟件鉗位與雙探頭技術(shù)

泰克WBG-DPT軟件的核心創(chuàng)新在于摒棄了硬件鉗位，采用獨(dú)特的雙高壓差分探頭結(jié)合智能信號(hào)處理算法：

測(cè)試設(shè)置

使用兩個(gè)高壓差分探頭（推薦泰克THDP系列）同時(shí)測(cè)量同一個(gè)VDS信號(hào)。

■ 探頭A (全量程)：負(fù)責(zé)捕獲完整的VDS開(kāi)關(guān)波形，包括高壓關(guān)斷狀態(tài)。

■ 探頭B (高靈敏度/削波)：專門(mén)用于高分辨率捕獲低電壓的導(dǎo)通區(qū)域 (VDS(on))。此處的設(shè)置會(huì)有意削剪（Clip）掉高壓部分，觸發(fā)示波器的削波告警。

采用雙高壓差分探頭測(cè)量VDS信號(hào)：一路探頭設(shè)置為高量程（如1500V）及高垂直刻度（如100V/格），另一路設(shè)置為低量程（如150V）及精細(xì)垂直刻度（如10V/格）

核心算法：信號(hào)融合與校正

軟件的核心任務(wù)是融合全量程波形（覆蓋廣但分辨率低）和高靈敏度削波波形（細(xì)節(jié)豐富但被削波且有過(guò)載恢復(fù)影響），生成高精度的復(fù)合VDS(on)信號(hào)：

波形平均

執(zhí)行多次雙脈沖測(cè)試（默認(rèn)8次），對(duì)波形進(jìn)行平均以降低隨機(jī)噪聲。

“滑動(dòng)窗口” 融合

?  將導(dǎo)通時(shí)段劃分為多個(gè)水平時(shí)間窗口。

?  在每個(gè)窗口內(nèi)計(jì)算全量程VDS和削波VDS的平均值。

?  找到兩者差異最小的窗口作為“參考窗口”，計(jì)算其平均值的偏移量，并據(jù)此校正削波信號(hào)在該窗口的整體偏移。

?  對(duì)相鄰窗口，利用全量程信號(hào)在該窗口與其前/后窗口平均值的變化趨勢(shì)（斜率），對(duì)削波窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性校正。此步驟利用全量程信號(hào)的低頻信息校正偏移，同時(shí)保留削波信號(hào)的高頻細(xì)節(jié)（高分辨率）。

?  遍歷所有窗口完成校正，生成高分辨率復(fù)合VDS波形。

差分消除穩(wěn)定誤差：在標(biāo)準(zhǔn)的雙脈沖測(cè)試中：

?  第一導(dǎo)通脈沖建立測(cè)試電流。

?  第二導(dǎo)通脈沖用于實(shí)際開(kāi)關(guān)性能評(píng)估（RDS(on)在此階段測(cè)量）。

算法利用兩個(gè)導(dǎo)通脈沖之間的時(shí)間差（要求≥50μs）和相似的電壓階躍特性。兩個(gè)脈沖在導(dǎo)通時(shí)經(jīng)歷的測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定誤差（探頭/放大器）高度一致。通過(guò)從第二導(dǎo)通時(shí)段的復(fù)合VDS信號(hào)中減去第一導(dǎo)通時(shí)段的復(fù)合VDS信號(hào)，有效消除了共有的穩(wěn)定誤差和基線VDS(on)。同時(shí)，從第二導(dǎo)通電流 (ID) 中減去第一導(dǎo)通電流，得到流經(jīng)RDS(on)的增量電流 (ΔID)。由第二脈沖對(duì)應(yīng)的增量電壓 (ΔVDS) 和 ΔID，根據(jù)歐姆定律 (R = ΔVDS / ΔID) 即可精確計(jì)算出動(dòng)態(tài)RDS(on)值。

實(shí)踐指南：測(cè)量流程與結(jié)果

測(cè)試系統(tǒng)配置

■ 泰克4/5/6系列MSO示波器 + WBG-DPT軟件許可證

■ 泰克THDP0100或THDP0200高壓差分探頭 x 2（分別用于全量程和削波測(cè)量）

■ 電流探頭（如TCP0030A, TCP0150, 或帶TICP的CVR）測(cè)量ID

■ 單端電壓探頭（如TPP1000）測(cè)量柵源電壓VGS

■ 函數(shù)發(fā)生器（如AFG31000）提供雙脈沖激勵(lì)

■ 待測(cè)器件（DUT）板（SiC/GaN FET）

■ 直流電源

WBG-DPT內(nèi)的軟件操作

5系列B MSO示波器上的RDS(on)測(cè)量結(jié)果

RDS(on)測(cè)量生成的VDS派生波形與RDS(on)波形細(xì)節(jié)圖

結(jié)果驗(yàn)證

該軟件方法已通過(guò)與傳統(tǒng)硬件鉗位方案的對(duì)比測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果顯示出良好的一致性（見(jiàn)白皮書(shū)內(nèi)數(shù)據(jù)對(duì)比圖）。它能有效反映RDS(on)隨電流、溫度變化的趨勢(shì)，為評(píng)估器件性能、優(yōu)化開(kāi)關(guān)效率及熱管理設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)

簡(jiǎn)化測(cè)試

省去設(shè)計(jì)和搭建外部鉗位電路的麻煩，降低成本和復(fù)雜性。

減少誤差

消除了鉗位電路引入的寄生參數(shù)影響和電壓偏移。

高分辨率

算法有效融合雙探頭數(shù)據(jù)，在導(dǎo)通區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高精度電壓測(cè)量。

自動(dòng)化高效

集成于示波器軟件，配置流程化，測(cè)量快速。

結(jié)論

泰克創(chuàng)新的基于雙探頭和軟件算法的動(dòng)態(tài)RDS(on)測(cè)量技術(shù)，成功解決了傳統(tǒng)硬件鉗位方法帶來(lái)的諸多挑戰(zhàn)。它提供了一種更簡(jiǎn)便、更精確、更可靠的方式來(lái)評(píng)估GaN和SiC功率器件在高頻開(kāi)關(guān)工況下的真實(shí)導(dǎo)通特性，特別是在研究電荷俘獲效應(yīng)及其對(duì)傳導(dǎo)損耗的影響方面。這項(xiàng)技術(shù)為電源設(shè)計(jì)工程師優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率、提升功率密度和加強(qiáng)熱管理策略提供了關(guān)鍵的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐，加速了寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)在高效能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用落地。