光隔离器件（光隔离器参数）

光隔离探头主要用于测试开关电源、逆变器、充电桩、变频器、电机驱动等功率半导体组成的高压高频电路，特别是氮化镓、碳化硅器件等宽禁带半导体器件。半/全桥电路测试。

为什么这些领域要使用光隔离探头？

这些领域的一个共同特点是高转换速率(dv/dt)。

传统的高压电路测试一般采用高压差分探头来完成；但高压差分探头的共模抑制比、隔离电压、信噪比、带宽、带宽平坦度、抗干扰能力明显不足。

功率半导体器件一直向高耐压、低导通电阻、低开关损耗方向发展；从最终电路性能来看，电压越来越高，开关时间越来越短，通过电流越来越大。

图：功率半导体器件的发展方向

高压差分探头基本无法胜任此类测试工作，而光电隔离探头的优异性能完全弥补了高压差分探头的缺点。

然而，无论是使用高压差分探头测试还是光电隔离探头测试，一些工程师在测试时都存在一些误区。

我们把这些误区总结一下，分享给大家！

误区1

差模电压和共模电压

有工程师认为，光隔离探头可以承受数万伏的共模电压，因此可以测量数万伏的差模电压。

共模电压：共模电压是相对于探头而言的；该电压通常以大地为参考。探头正负输入端同时浮于大地之上的电压即为共模电压。探头上标注的共模电压，是探头的最大隔离电压。

一般出于安全考虑，探头的隔离电压必须大于被测电路的最大电压，以保护人员和设备的安全。

探头允许的共模电压越大越好。

差模电压：差模电压是探头需要测试的信号电压。

图：共模和差模

高压差分探头允许的最大差模输入电压就是差分探头的最大共模电压，一般为几百伏到几千伏。这与高压差分探头的电路原理有关。

在某些情况下，高压差分探头的共模电压和差模电压会相互冲突。工程师希望有更大的共模电压来保证安全，同时希望高压差分探头在测试不同大小的差模信号时能够保持较高的电压。信噪比，但高压差分探头的硬件分压比无法改变，因此当差模信号幅度较低时，信噪比也同时下降。

由于光隔离探头是光隔离的，共模电压可高达数万伏。差模电压可以适配不同的衰减器，范围从毫伏到几千伏，并且可以具有高信噪比。

总结：

1、共模电压差模电压；具有高共模电压是光隔离探头的天然优势；

2、灵活适应差模电压，完全更换不同衰减比的衰减器，保持较高的信噪比。这是探头制造商赋予光隔离探头的后天优势，与光隔离探头无关。

误区2

信号没有高频

有些工程师在分析功率器件组成的桥式电路时，对信号的频率存在一定的误解：“没有高频，门信号的频率只有几十K！”

这种理解没有基波和谐波的概念，并且混淆了开关频率和信号频率。这里所说的高频是指信号中的高频成分，而不是开关频率。

功率半导体器件正向高耐压、低导通电阻、低开关损耗方向发展。这直接体现在器件的Vce（或Vds）电压的dv/dt变得很大，特别是对于碳化硅或氮化镓器件。开关管开通和关断过程的时间可以小至几纳秒，这导致功率器件组成的桥式电路的中点处产生非常高的高频能量。因此，在测试宽带隙半导体上管的Vgs或Vge信号时，存在高频高压共模干扰。

现在我们知道这个信号中的高频是信号中的高频成分，与开关频率无关；即使开关频率为1Hz，信号中仍然会有高频成分。

由于信号中存在高频成分，因此需要高带宽探头。否则，由于探头的带宽限制，信号中的高频振荡或一些尖峰将是不可见的。

在一家小型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来测试IGBT栅极信号Vge，因为他们没有考虑到信号中的高频成分并进行了测量用示波器。波形非常干净、平滑。这样的测试结果让工程师非常满意，但这样的测试设备会给IGBT产线带来测试风险，可能会漏掉一些隐藏的高频峰值。

在东莞松山湖的功率半导体测试实验室里，工程师们正在测试验证氮化镓器件。与之前的案例不同，他们怀疑高频异常信号的存在，但却看不到它们。由于无法用高压差分探头测试上管，当他们使用500MHz带宽的光隔离探头测试上管的Vgs时，发现了高达580MHz的振荡信号。这种振荡来自电路板寄生效应和元件的综合影响。为了更准确的观察和测量，需要带宽为1GHz的探头才能胜任。

总结：

1、信号频率不等于开关频率；

2. 信号中经常存在非常高频的成分。对于桥式电路来说，共模信号与功率器件的速度有关，差模信号和PCB布线与元件参数有关。

误区3

高频共模抑制能力****

每个共模抑制比指标必须在特定频率下获得。

高压差分探头在低频段（100KHz以下）的共模抑制能力尚可，但在中高频段（1MHz以上）的共模抑制能力会很快恶化。相对而言，光隔离探头的共模抑制能力比高压差分探头好很多。但不要陷入误区：只要是光隔离探头，就具有很高的共模抑制比。

光隔离探头的原理决定了它在直流和低频段具有天然的高共模抑制比。只要通过光纤隔离，就可以轻松实现直流160dB以上、低频140dB以上的目标。然而，中高频共模抑制能力并不是光隔离探头所固有的。它由探头制造商给出。只要是探头厂家给出的，就一定有高低之分，这与探头厂家的技术能力有关。

功率半导体电路，特别是第三代半导体电路属于高频、高压，要求探头在高频段（至少200MHz以上）具有较大的共模抑制比。应该有多大？例如：

假设测试氮化镓电路，共模信号电压为500V，dv/dt=250V/ns。为了抑制此类共模干扰，如果CMRR=60dB，探头将输出叠加在差模信号上的500mV共模干扰。它对差模信号有重大影响。如果CMRR=80dB，则探头将在差模信号上叠加50mV共模干扰。对差模信号的影响不容忽视。如果CMRR=100dB，探头将仅保留5mV。对于差模信号，共模干扰可以完全忽略。 （大家可以看下图来理解）

无论探头的带宽频率有多高，在该带宽的最高频率下仍然需要具有高共模抑制能力。例如，带宽为500MHz的探头在500MHz频率下仍需要具有高共模抑制比。高带宽是为了能够观测高频差模信号，高频共模抑制能力是希望能够完全抑制高频共模干扰。

总结：

1、为了保证测试结果的真实性，光隔离探头在10MHz至1GHz频段的CMRR至少在100dB左右。低于这个值，光隔离探头就失去了——高频共模抑制能力的核心价值。

2. 直流和低频段的高共模抑制比是光隔离探头固有的。高频段的高共模抑制比是由探头制造商给出的，并不是固有的。需要仔细选择。

误区4

带宽误解****

前面提到，一些工程师对频率存在误解，因此对探头的带宽也存在误解，认为不需要更高带宽的探头和示波器。

还有一个误区：应根据信号的高频来选择带宽最高的探头和示波器。这种误解也可能导致误导性测试。之前的工程师使用500MHz探头观察580MHz振荡。能够观察到并不意味着测量就能准确。我们先看一下带宽的定义：

带宽：也称为标称带宽或-3dB 带宽。当探头（或示波器）测试信号时，输出信号幅度衰减到-3dB（即输入幅度乘以0.707）时的频率就是探头的最大频率。通常，最大频率会向下舍入并设置为探头的标称带宽。

此-3dB 衰减会产生30% 的测量误差。因此，标称带宽并不能保证测试精度。什么情况下才能保证测试精度？有传说中的5次规则和4次规则。有不同的意见，这意味着将信号中的最高频率乘以5倍或4倍来确定探头所需的带宽。如果预算充足的话，倍数越高越好。如果预算不足，就选择能够满足测试精度的即可。

什么情况下才能满足测试精度？这与每个探头的质量有关。对于某些探头，测试误差在标称带宽频率的0.2 倍后开始增加。有些探头仍然具有高于标称带宽频率0.5 倍的高精度。测试准确度。为什么会这样呢？看下面的波形图：

图：探头快速边沿响应波形

这是探头的快速边沿响应波形。这种过冲较大且振荡衰减的波形表明探头的频率响应不好。过冲是为了让探头的另一个指标——的上升时间变短，同时降低高频。提高幅度，向带宽注水（例如只有100MHz的探头通过过冲注入到200MHz），探头电路产生这种过冲方法，以增加探头的最大带宽。这本身就是带宽定义中的一个漏洞。欺凌用户没有能力察觉。这种探头的测量精度很差。带宽从100MHz注水到200MHz的探头测量精度比100MHz带宽的探头还要差，因为连续衰减的振荡挤压了更多的高频精度。

总结：

1. 探头标称带宽并不能保证测试精度。低于其精度确定的具体频率与探头的质量有关；

2. 某些探头的带宽中存在水分，电压探头中的水分可能会使带宽加倍。

误区5

测试准确度的误区

无论是探头还是示波器，都会标注一个精度：直流增益精度。很多工程师错误地认为这就是这个设备的测试精度。事实上，这仅代表直流精度，而不代表交流精度。

我们来详细说明一下测试准确性的问题。

D****C增益精度：一般测试仪器都会给出这个指标，就是测试直流信号时能够保证的测试精度。作为光隔离探头，这个指标很有用，但不是核心指标；谁会使用光隔离探头作为直流信号的主要测试方法？使用万用表不是既准确又经济吗？

探头在什么频率下可以保证测试精度？基本上没有厂家提到这个指标，这给测试仪器市场带来了一些混乱。事实上，还需要为探头或示波器提出另一个指标：有效精度带宽。该指标由McCoxen提出，并应用于其光隔离探头产品中，以指导工程师了解在什么情况下测试结果是可信的。

有效精度带宽：给定测试精度指标，保证测试精度的探头最大带宽。

例如，光隔离探头型号MOIP500P的标称带宽为500MHz，有效精度带宽为300MHz。这意味着该探头的最大带宽为500MHz。从DC到300MHz都能保证1.5%的测试精度，让工程师放心。使用这些测试结果。

与有效精度带宽相对应的还有一个指标：带宽增益精度。

带宽增益精度：在有效精度带宽范围内保证探头的测试精度。

例如，上述型号探头的带宽增益精度为1.5%。

图：MOIP500P实测幅频特性曲线

工程师一般有办法测试手中探头的有效精度带宽吗？一般有两种方法：

方法一：使用能产生高频正弦波的标准信号源，从低频到高频输入到探头，观察探头输出幅度的变化，与标准值比较，计算出错误。

方法二：如果没有条件，找正规检测机构测试探头的幅频特性数据，但这会产生一定的检测费用（如果数据不理想，探头厂家可以承担）成本并将其用作退货的基础）。

总结：

1、准确的比喻，探头就像一座房子，带宽就是建筑面积，有效精度带宽就是使用面积，真正有用的就是使用面积。注意探头的有效精度带宽，了解测试精度。

2、使用标准信号源来验证测试设备的各项指标，这比猜测和设备相互比较更科学。

审稿人：刘庆