无需钳位电路，精准测量GaN动态导通电阻Rds(on)

导言

在追求更高效率、更高功率密度的电源转换器设计中，宽禁带半导体（GaN、SiC）器件扮演着越来越关键的角色。然而，理解这些器件在高速开关过程中的真实性能，特别是其动态导通电阻（RDS(on)），一直是设计人员面临的挑战。动态RDS(on)揭示了电荷俘获效应的影响，直接影响器件的传导损耗和效率。传统测量方法依赖硬件钳位电路，不仅引入误差源，也增加了测试复杂度和成本。泰克公司推出的创新性软件钳位方法，集成于其4/5/6系列MSO示波器的宽禁带双脉冲测试 (WBG-DPT) 软件中，实现了无需外部钳位电路的动态RDS(on)高精度测量。

01动态RDS(on)：理解与挑战

什么是动态RDS(on)?

动态RDS(on)是指场效应晶体管（FET）在开关过程中处于导通状态时，其漏极(D)与源极(S)端子之间的平均电阻。它是计算传导损耗的核心参数，由公式定义：

它反映了开关周期导通阶段该比值的平均特性。电荷俘获现象（尤其在GaN器件中可能导致显著的“电流崩塌”）是动态RDS(on)变化的主要根源。

RDS(on) 波形表征FET导通状态下，漏源电压(VDS)与漏极电流(ID)的动态比值关系

测量动态RDS(on)的传统难点

测量的核心挑战在于同时精确捕捉高幅值开关电压和微小导通电压：

分辨率冲突

开关电压 (VDS) 可达数百甚至上千伏（如800V），而导通电压 (VDS(on)) 通常仅为几伏或更低（如10V）。使用示波器高量程（低灵敏度）捕获完整VDS范围，会导致VDS(on)区域的ADC量化误差占比过大，分辨率严重不足。

过载风险

若为提高分辨率直接使用高灵敏度（低V/p）设置测量VDS(on)，当高压开关信号出现时，会过载差分探头或示波器输入放大器，在过载恢复期间产生不可靠数据。

高速开关

GaN/SiC器件极快的开关速度（dv/dt, di/dt）放大了探头寄生参数（电感、电容）引起的信号畸变，需要关注稳定时间。

传统解决方案依赖外部二极管钳位电路削去高压部分。但这会引入额外寄生参数（L, C, R）、RC时间常数导致的电压偏移、潜在的电压峰值以及额外的成本和复杂性。

高幅值的VDS与微小的导通态电压使得RDS(on) 的测量极具挑战性。这一新方法通过校正实现了高灵敏度测量

WBT-DPT测量自动化软件中的新软件钳位技术使设计人员能够使用手头已有的设备快速测量动态RDS(on)。

想深入了解这项创新的动态RDS(on)测量技术的原理、算法细节、操作步骤及验证数据？免费下载完整技术白皮书，掌握以下关键内容：

1. 软件钳位核心技术揭秘：双探头融合算法 (图解滑动窗口校正与差分消除原理)

2. 构建无钳位测试系统：硬件配置与探头选型指南 (含详细接线图与设备清单)

3. 逐步操作手册：WBG-DPT软件实现动态RDS(on)测量(图文并茂的软件设置流程)

4. 测量结果分析与验证：与传统钳位方案对比 (含实测波形与数据对比图)

02创新方案：软件钳位与双探头技术

泰克WBG-DPT软件的核心创新在于摒弃了硬件钳位，采用独特的双高压差分探头结合智能信号处理算法：

测试设置

使用两个高压差分探头（推荐泰克THDP系列）同时测量同一个VDS信号。

■ 探头A (全量程)：负责捕获完整的VDS开关波形，包括高压关断状态。

■ 探头B (高灵敏度/削波)：专门用于高分辨率捕获低电压的导通区域 (VDS(on))。此处的设置会有意削剪（Clip）掉高压部分，触发示波器的削波告警。

采用双高压差分探头测量VDS信号：一路探头设置为高量程（如1500V）及高垂直刻度（如100V/格），另一路设置为低量程（如150V）及精细垂直刻度（如10V/格）

核心算法：信号融合与校正

软件的核心任务是融合全量程波形（覆盖广但分辨率低）和高灵敏度削波波形（细节丰富但被削波且有过载恢复影响），生成高精度的复合VDS(on)信号：

波形平均

执行多次双脉冲测试（默认8次），对波形进行平均以降低随机噪声。

“滑动窗口” 融合

• 将导通时段划分为多个水平时间窗口。

• 在每个窗口内计算全量程VDS和削波VDS的平均值。

• 找到两者差异最小的窗口作为“参考窗口”，计算其平均值的偏移量，并据此校正削波信号在该窗口的整体偏移。

• 对相邻窗口，利用全量程信号在该窗口与其前/后窗口平均值的变化趋势（斜率），对削波窗口内的数据进行线性校正。此步骤利用全量程信号的低频信息校正偏移，同时保留削波信号的高频细节（高分辨率）。

• 遍历所有窗口完成校正，生成高分辨率复合VDS波形。

差分消除稳定误差：在标准的双脉冲测试中：

• 第一导通脉冲建立测试电流。

• 第二导通脉冲用于实际开关性能评估（RDS(on)在此阶段测量）。

算法利用两个导通脉冲之间的时间差（要求≥50μs）和相似的电压阶跃特性。两个脉冲在导通时经历的测量系统稳定误差（探头/放大器）高度一致。通过从第二导通时段的复合VDS信号中减去第一导通时段的复合VDS信号，有效消除了共有的稳定误差和基线VDS(on)。同时，从第二导通电流 (ID) 中减去第一导通电流，得到流经RDS(on)的增量电流 (ΔID)。由第二脉冲对应的增量电压 (ΔVDS) 和 ΔID，根据欧姆定律 (R = ΔVDS / ΔID) 即可精确计算出动态RDS(on)值。

03实践指南：测量流程与结果

测试系统配置

■ 泰克4/5/6系列MSO示波器 + WBG-DPT软件许可证

■ 泰克THDP0100或THDP0200高压差分探头 x 2（分别用于全量程和削波测量）

■ 电流探头（如TCP0030A, TCP0150, 或带TICP的CVR）测量ID

■ 单端电压探头（如TPP1000）测量栅源电压VGS

■ 函数发生器（如AFG31000）提供双脉冲激励

■ 待测器件（DUT）板（SiC/GaN FET）

■ 直流电源

WBG-DPT内的软件操作

（见白皮书内图文详细教程）

5系列B MSO示波器上的RDS(on)测量结果

RDS(on)测量生成的VDS派生波形与RDS(on)波形细节图

结果验证

该软件方法已通过与传统硬件钳位方案的对比测试验证，结果显示出良好的一致性（见白皮书内数据对比图）。它能有效反映RDS(on)随电流、温度变化的趋势，为评估器件性能、优化开关效率及热管理设计提供了可靠的数据支持。

04显著技术优势

简化测试

省去设计和搭建外部钳位电路的麻烦，降低成本和复杂性。

减少误差

消除了钳位电路引入的寄生参数影响和电压偏移。

高分辨率

算法有效融合双探头数据，在导通区域实现高精度电压测量。

自动化高效

集成于示波器软件，配置流程化，测量快速。

结论

泰克创新的基于双探头和软件算法的动态RDS(on)测量技术，成功解决了传统硬件钳位方法带来的诸多挑战。它提供了一种更简便、更精确、更可靠的方式来评估GaN和SiC功率器件在高频开关工况下的真实导通特性，特别是在研究电荷俘获效应及其对传导损耗的影响方面。这项技术为电源设计工程师优化转换效率、提升功率密度和加强热管理策略提供了关键的实测数据支撑，加速了宽禁带半导体技术在高效能源转换领域的应用落地。