时间:2023-07-06
解析功率器件构成的桥式电路中信号频率的误解:开关频率与信号频率的区别。在分析功率器件构成的桥式电路时,部分工程师对信号的频率存在一定的误解:“没有高频啊,门极信号频率才几十K呢!”
这种理解是没有基波和谐波的概念,把开关频率和信号频率混淆了。这里说的高频,是信号中的高频分量,不是开关频率。
功率半导体器件在向高耐压、低导通电阻、低开关损耗方面发展,直接体现就是器件的Vce(或者Vds)电压的dv/dt变得很大,尤其是碳化硅或者氮化镓器件,开关导通和关断过程的时间可以小到几个纳秒,这就导致由功率器件构成的桥式电路的中点有很高的高频能量,因此在测试宽禁带半导体上管的Vgs或者Vge信号时,存在高频高压的共模干扰。
这下我们知道了,这个信号中的高频,是信号中的高频分量,和开关频率没有关系;就算开关频率是1Hz,信号中仍然会存在高频分量,既然信号中存在高频分量,就需要高带宽的探头才能胜任,否则信号中的高频振荡或者一些尖峰就会因探头的带宽所限制而看不见。
在一家规模不大的功率半导体测试设备公司,笔者亲眼看到他们将差分探头的带宽限制在5MHz用来测试IGBT的门极信号Vge,因为他们没有考虑到信号中的高频分量,测出来示波器上的波形十分干净平滑。这样的测试结果让工程师表示十分满意,但是这样的测试设备会给IGBT生产线带来测试隐患,一些隐含的高频尖峰可能会被错过。
在东莞的一家功率半导体测试实验室,工程师正在对氮化镓器件做测试验证,与上一个案例不同的是,他们怀疑高频异常信号的存在,但是无法看见它们。因为用高压差分探头无法测试上管,当他们用500MHz带宽的光隔离探头测试上管的Vgs时,发现了高达580MHz的震荡信号,这个震荡来自于板子寄生和器件的共同作用,要想更准确的观察与测量,需要带宽1GHz的光隔离探头才能胜任。
总结:这种误解是将开关频率和信号频率混淆了。开关频率是指功率器件的开关动作频率,而信号频率是指信号中的高频分量。在功率半导体器件中,随着技术的发展,器件的开关速度越来越快,导致由功率器件构成的桥式电路中存在高频能量。因此,在测试宽禁带半导体上管的信号时,需要使用高带宽的探头,以便能够准确观察到信号中的高频振荡或尖峰。否则,由于探头带宽的限制,这些高频分量可能无法被观测到。
因此,要正确理解功率器件构成的桥式电路中的信号频率,需要明确开关频率和信号中的高频分量之间的区别。开关频率是指功率器件的开关动作频率,而信号频率是指信号中的高频成分,它与功率器件的速度、PCB布线和元件参数等因素有关。