泰克4/5/6系列MSO示波器測量GaN動態(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)計中，寬禁帶半導(dǎo)體（GaN、SiC）器件扮演著越來越關(guān)鍵的角色。然而，理解這些器件在高速開關(guān)過程中的真實性能，特別是其動態(tài)導(dǎo)通電阻（RDS(on)），一直是設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)。動態(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)測量方法依賴硬件鉗位電路，不僅引入誤差源，也增加了測試復(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試 (WBG-DPT) 軟件中，實現(xiàn)了無需外部鉗位電路的動態(tài)RDS(on)高精度測量。

什么是動態(tài)RDS(on)?

動態(tài)RDS(on)是指場效應(yīng)晶體管（FET）在開關(guān)過程中處于導(dǎo)通狀態(tài)時，其漏極(D)與源極(S)端子之間的平均電阻。它是計算傳導(dǎo)損耗的核心參數(shù)，由公式定義：

它反映了開關(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)的動態(tài)比值關(guān)系

測量動態(tài)RDS(on)的傳統(tǒng)難點在于同時精確捕捉高幅值開關(guān)電壓和微小導(dǎo)通電壓：

分辨率沖突

開關(guān)電壓 (VDS) 可達數(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，會導(dǎo)致VDS(on)區(qū)域的ADC量化誤差占比過大，分辨率嚴重不足。

過載風(fēng)險

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

高速開關(guān)

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

傳統(tǒng)解決方案依賴外部二極管鉗位電路削去高壓部分。但這會引入額外寄生參數(shù)（L, C, R）、RC時間常數(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) 的測量極具挑戰(zhàn)性。這一新方法通過校正實現(xiàn)了高靈敏度測量

WBT-DPT測量自動化軟件中的新軟件鉗位技術(shù)使設(shè)計人員能夠使用手頭已有的設(shè)備快速測量動態(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，采用獨特的雙高壓差分探頭結(jié)合智能信號處理算法：

測試設(shè)置

使用兩個高壓差分探頭（推薦泰克THDP系列）同時測量同一個VDS信號。

■ 探頭A (全量程)：負責(zé)捕獲完整的VDS開關(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量VDS信號：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）及精細垂直刻度（如10V/格）

核心算法：信號融合與校正

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（細節(jié)豐富但被削波且有過載恢復(fù)影響），生成高精度的復(fù)合VDS(on)信號：

波形平均

執(zhí)行多次雙脈沖測試（默認8次），對波形進行平均以降低隨機噪聲。

“滑動窗口” 融合

?  將導(dǎo)通時段劃分為多個水平時間窗口。

?  在每個窗口內(nèi)計算全量程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”，計算其平均值的偏移量，并據(jù)此校正削波信號在該窗口的整體偏移。

?  對相鄰窗口，利用全量程信號在該窗口與其前/后窗口平均值的變化趨勢（斜率），對削波窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進行線性校正。此步驟利用全量程信號的低頻信息校正偏移，同時保留削波信號的高頻細節(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：在標準的雙脈沖測試中：

?  第一導(dǎo)通脈沖建立測試電流。

?  第二導(dǎo)通脈沖用于實際開關(guān)性能評估（RDS(on)在此階段測量）。

算法利用兩個導(dǎo)通脈沖之間的時間差（要求≥50μs）和相似的電壓階躍特性。兩個脈沖在導(dǎo)通時經(jīng)歷的測量系統(tǒng)穩(wěn)定誤差（探頭/放大器）高度一致。通過從第二導(dǎo)通時段的復(fù)合VDS信號中減去第一導(dǎo)通時段的復(fù)合VDS信號，有效消除了共有的穩(wěn)定誤差和基線VDS(on)。同時，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) 即可精確計算出動態(tài)RDS(on)值。

實踐指南：測量流程與結(jié)果

測試系統(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量）

■ 電流探頭（如TCP0030A, TCP0150, 或帶TICP的CVR）測量ID

■ 單端電壓探頭（如TPP1000）測量柵源電壓VGS

■ 函數(shù)發(fā)生器（如AFG31000）提供雙脈沖激勵

■ 待測器件（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)測量結(jié)果

RDS(on)測量生成的VDS派生波形與RDS(on)波形細節(jié)圖

結(jié)果驗證

該軟件方法已通過與傳統(tǒng)硬件鉗位方案的對比測試驗證，結(jié)果顯示出良好的一致性（見白皮書內(nèi)數(shù)據(jù)對比圖）。它能有效反映RDS(on)隨電流、溫度變化的趨勢，為評估器件性能、優(yōu)化開關(guān)效率及熱管理設(shè)計提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

顯著技術(shù)優(yōu)勢

簡化測試

省去設(shè)計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)高精度電壓測量。

自動化高效

集成于示波器軟件，配置流程化，測量快速。

結(jié)論

泰克創(chuàng)新的基于雙探頭和軟件算法的動態(tài)RDS(on)測量技術(shù)，成功解決了傳統(tǒng)硬件鉗位方法帶來的諸多挑戰(zhàn)。它提供了一種更簡便、更精確、更可靠的方式來評估GaN和SiC功率器件在高頻開關(guān)工況下的真實導(dǎo)通特性，特別是在研究電荷俘獲效應(yīng)及其對傳導(dǎo)損耗的影響方面。這項技術(shù)為電源設(shè)計工程師優(yōu)化轉(zhuǎn)換效率、提升功率密度和加強熱管理策略提供了關(guān)鍵的實測數(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。