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电动汽车驱动 宽禁带半导体 ★ 5.0

具有高共模抑制比和强dv/dt抗扰性的灵活1.5 GHz探头隔离扩展技术,赋能下一代宽禁带测量

Flexible 1.5-GHz Probe Isolation Extension With High CMRR and Robust dv/dt Immunity Empowering Next-Generation WBG Measurement

作者 Yulei Wang · Jiakun Gong · Zheng Zeng · Liang Wang · Mingrui Zou · Yiming Gong
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年10月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 宽禁带半导体
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 下一代宽禁带功率器件 高性能测量系统 探针隔离扩展 光学对接 动态参数表征
语言:

中文摘要

下一代宽带隙(WBG)功率器件取得了进展,其特点是阻断电压更高、开关速度更快,这导致了超高 $dv/dt$ 的出现。这三个因素共同对未来高性能测量系统提出了严苛的性能要求。本文深入探讨了下一代 WBG 器件在低端和高端动态测试过程中遇到的挑战。基于此探讨,总结了未来电气隔离测试系统的性能要求,即扩展至中压水平的宽动态范围、至少 500 MHz 的最小测量带宽、在 100 MHz 时至少 50 dB 的共模抑制比(CMRR)以及超过 100 V/ns 的 $dv/dt$ 抗扰度。为了有效实现这些目标,引入了探头隔离扩展(PIE)的概念,旨在提供出色的电气隔离,同时尽可能保留传统非隔离测试系统的高电气性能。基于 PIE 概念,提出了一种基于光学的物理实现方法,即光对接器(OD)。推导了 OD 的工作原理,并对影响其高频响应的因素进行了详细分析。此外,还提供了参数调整方法以最大化其带宽。通过这些努力,成功开发出了一种高性能的 PIE OD,它具有出色的电气隔离能力、1.53 GHz 的超高带宽、在 100 MHz 时 72 dB 的高 CMRR 以及 1.3 kV/ns 的强大 $dv/dt$ 抗扰度。与现有最先进的电气隔离探头/系统进行的大量对比实验表明,通过采用 PIE OD 扩展各种不同的非隔离探头/系统,可以实现对中压碳化硅(SiC)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)所有高端动态电气参数(即 $v_{gs}$、$v_{ds}$ 和 $i_{d}$)的精确表征。这凸显了 PIE OD 在下一代 WBG 甚至超宽带隙应用中的巨大潜力。

English Abstract

Advancements in the next-generation wide-bandgap (WBG) power devices, distinguished by higher blocking voltage and faster switching speed, give rise to the advent of ultrahigh dv/dt. These three factors collectively impose demanding performance requirements on future high-performance measurement systems. This article conducts an in-depth exploration of the challenges encountered during the low- and high-side dynamic testing of the next-generation WBG device. Drawing from this examination, the performance requirements for future galvanically isolated testing systems are summarized, i.e., a broad dynamic range extending to medium voltage levels, a minimum measurement bandwidth of 500 MHz, a common-mode rejection ratio (CMRR) of at least 50 dB at 100 MHz, and a dv/dt immunity exceeding 100 V/ns. To effectively response these objectives, the concept of probe isolation extension (PIE) is introduced, with the aim of providing exceptional galvanic isolation while preserving the high electrical performance of traditional nonisolated testing systems to the greatest extent possible. Building upon the PIE concept, an optics-based physical implementation method, known as optical dock (OD), is presented. The operating principles of the OD are derived, and a detailed analysis is conducted to examine the factors that influence its high-frequency response. Additionally, parameter tuning methods are provided to maximize its bandwidth. These collective efforts have successfully resulted in the development of a high-performance PIE OD, which exhibits outstanding galvanic isolation capability, an ultrahigh bandwidth of 1.53 GHz, a high CMRR of 72 dB at 100 MHz, and robust dv/dt immunity of 1.3 kV/ns. Extensive comparative experiments with the state-of-the-art galvanically isolated probes/systems have demonstrated that by incorporating PIE OD to expand various different nonisolated probes/systems, precise characterization of all high-side dynamic electrical parameters, i.e., vgs, vds, and id, for the MV SiC mosfet can be achieved. This highlights the significant potential of the PIE OD for next-generation WBG and even ultra-WBG applications.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项探针隔离扩展技术对我们在高性能宽禁带功率器件测试领域具有重要战略意义。随着公司在光伏逆变器和储能系统中大规模应用SiC MOSFET等新一代宽禁带器件,器件的开关速度已突破传统Si器件极限,dv/dt可达100V/ns以上,这给产品研发和质量管控中的精确测量带来严峻挑战。

该论文提出的PIE光学对接技术,实现了1.53GHz超宽带宽、100MHz频率下72dB的共模抑制比以及1.3kV/ns的dv/dt抗扰度,这些指标完全满足甚至超越了我们对中压SiC器件高低侧动态参数(Vgs、Vds、Id)的精确表征需求。特别是在开发10kV以上中压SiC MOSFET应用的光伏逆变器和储能变流器时,传统隔离探头在高频共模干扰下的测量失真问题一直制约着我们对器件真实开关特性的掌握,而PIE技术通过光学隔离方案既保证了电气隔离安全性,又保持了非隔离探头的高频性能优势。

从应用前景看,该技术可直接赋能我们的器件级可靠性验证、驱动电路优化和系统级EMI分析。当前技术成熟度已达到可工程化应用阶段,建议公司评估将其集成到研发测试平台的可行性。潜在挑战在于光学系统的环境稳定性和成本控制,但考虑到其对加速新产品开发周期、提升WBG器件应用可靠性的价值,这是一项值得深度关注和战略布局的使能技术,将为我们在超宽禁带器件(如金刚石、氮化镓)的前瞻性研究奠定测试基础。