在追求更高效率、更高功率密度的電源轉換器設計中，寬禁帶半導體（GaN、SiC）器件扮演著越來越關鍵的角色。然而，理解這些器件在高速開關過程中的真實性能，特別是其動態導通電阻（RDS(on)），一直是設計人員面臨的挑戰。動態RDS(on)揭示了電荷俘獲效應的影響，直接影響器件的傳導損耗和效率。傳統測量方法依賴硬件鉗位電路，不僅引入誤差源，也增加了測試復雜度和成本。泰克公司推出的創新性軟件鉗位方法，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，實現了無需外部鉗位電路的動態RDS(on)高精度測量。

什么是動態RDS(on)?

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

它反映了開關周期導通階段該比值的平均特性。電荷俘獲現象（尤其在GaN器件中可能導致顯著的“電流崩塌”）是動態RDS(on)變化的主要根源。

RDS(on) 波形表征FET導通狀態下，漏源電壓(VDS)與漏極電流(ID)的動態比值關系

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

分辨率沖突

開關電壓 (VDS) 可達數百甚至上千伏（如800V），而導通電壓 (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，會導致VDS(on)區域的ADC量化誤差占比過大，分辨率嚴重不足。

過載風險

若為提高分辨率直接使用高靈敏度（低V/div）設置測量VDS(on)，當高壓開關信號出現時，會過載差分探頭或示波器輸入放大器，在過載恢復期間產生不可靠數據。

高速開關

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

傳統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（L, C, R）、RC時間常數導致的電壓偏移、潛在的電壓峰值以及額外的成本和復雜性。

高幅值的VDS與微小的導通態電壓使得RDS(on) 的測量極具挑戰性。這一新方法通過校正實現了高靈敏度測量

WBT-DPT測量自動化軟件中的新軟件鉗位技術使設計人員能夠使用手頭已有的設備快速測量動態RDS(on)。

創新方案：軟件鉗位與雙探頭技術

泰克WBG-DPT軟件的核心創新在于摒棄了硬件鉗位，采用獨特的雙高壓差分探頭結合智能信號處理算法：

測試設置

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)：負責捕獲完整的VDS開關波形，包括高壓關斷狀態。

■ 探頭B (高靈敏度/削波)：專門用于高分辨率捕獲低電壓的導通區域 (VDS(on))。此處的設置會有意削剪（Clip）掉高壓部分，觸發示波器的削波告警。

采用雙高壓差分探頭測量VDS信號：一路探頭設置為高量程（如1500V）及高垂直刻度（如100V/格），另一路設置為低量程（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（細節豐富但被削波且有過載恢復影響），生成高精度的復合VDS(on)信號：

波形平均

執行多次雙脈沖測試（默認8次），對波形進行平均以降低隨機噪聲。

“滑動窗口” 融合

?  將導通時段劃分為多個水平時間窗口。

?  在每個窗口內計算全量程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），對削波窗口內的數據進行線性校正。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（高分辨率）。

?  遍歷所有窗口完成校正，生成高分辨率復合VDS波形。

差分消除穩定誤差：在標準的雙脈沖測試中：

?  第一導通脈沖建立測試電流。

?  第二導通脈沖用于實際開關性能評估（RDS(on)在此階段測量）。

算法利用兩個導通脈沖之間的時間差（要求≥50μs）和相似的電壓階躍特性。兩個脈沖在導通時經歷的測量系統穩定誤差（探頭/放大器）高度一致。通過從第二導通時段的復合VDS信號中減去第一導通時段的復合VDS信號，有效消除了共有的穩定誤差和基線VDS(on)。同時，從第二導通電流 (ID) 中減去第一導通電流，得到流經RDS(on)的增量電流 (ΔID)。由第二脈沖對應的增量電壓 (ΔVDS) 和 ΔID，根據歐姆定律 (R = ΔVDS / ΔID) 即可精確計算出動態RDS(on)值。

實踐指南：測量流程與結果

測試系統配置

■ 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

■ 函數發生器（如AFG31000）提供雙脈沖激勵

■ 待測器件（DUT）板（SiC/GaN FET）

■ 直流電源

WBG-DPT內的軟件操作

5系列B MSO示波器上的RDS(on)測量結果

RDS(on)測量生成的VDS派生波形與RDS(on)波形細節圖

結果驗證

該軟件方法已通過與傳統硬件鉗位方案的對比測試驗證，結果顯示出良好的一致性（見白皮書內數據對比圖）。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、優化開關效率及熱管理設計提供了可靠的數據支持。

顯著技術優勢

簡化測試

省去設計和搭建外部鉗位電路的麻煩，降低成本和復雜性。

減少誤差

消除了鉗位電路引入的寄生參數影響和電壓偏移。

高分辨率

算法有效融合雙探頭數據，在導通區域實現高精度電壓測量。

自動化高效

集成于示波器軟件，配置流程化，測量快速。

結論

泰克創新的基于雙探頭和軟件算法的動態RDS(on)測量技術，成功解決了傳統硬件鉗位方法帶來的諸多挑戰。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工況下的真實導通特性，特別是在研究電荷俘獲效應及其對傳導損耗的影響方面。這項技術為電源設計工程師優化轉換效率、提升功率密度和加強熱管理策略提供了關鍵的實測數據支撐，加速了寬禁帶半導體技術在高效能源轉換領域的應用落地。