极速陷阱：你的测试仪器“看”到真实的SiC了吗?

来源：本文为第三届科普大赛三等奖作品，作者：肖淼淼。

而在电力电子领域，如果把Si MOSFET比作家用轿车，那么SiC MOSFET器件就是F1赛车，代表着它具有更快（开关频率高）、更高效率（更低损耗）的特性。正如专业摄影师需要用高速相机来捕捉赛场细节，这也是当今SiC MOSFET器件的测试的真实写照，你的测试设备，决定了你看到的是高清的慢动作回放，还只是模糊的残影。

想象一下，你正站在一条F1赛道的起点。在电子世界中，信号就是这些飞驰的赛车，而带宽则是赛车的极速性能。

在赛车世界，我们用一个核心指标来衡量赛车的加速性能：0-100公里/小时加速时间。时间越短，性能越狂暴，动力越凶猛。

在电子世界，这个指标有一个完全对应的参数—信号的上升时间，它衡量的是一个信号（通常是电压或电流）从低电平“跳变”到高电平的快慢，专业上，我们特指信号从最终值的10%上升到90% 所需要的时间。

对于传统的Si MOSFET器件，上升时间可能是几十纳秒；而对于SiC这种“F1赛车”，这个时间可以短至几纳秒以内！更短的上升时间意味着更快的开关速度、更低的开关损耗和更高的工作频率—这正是实现高效、紧凑的电动汽车电驱、太阳能逆变器和数据中心电源的关键。

我们回想开头，为什么用专业的高速相机就可以清晰定格赛车飞驰瞬间，而用普通手机拍摄就可能是模糊一片，缺少细节？简单说，这个和相机设备的快门速度有关，也即拍一张照片曝光所需要的时间，赛车越快，所需的快门时间就必须越短。通常手机的快门时间在1/100秒左右，而若想冻结大多数赛车动作，至少需要快门时间低至1/1000秒的专业相机。

更低的快门时间意味着更易捕捉到高速运动的清晰影像，而更长的快门时间则会让快速运动的物体变的模糊，只留下一道拖影。

下图是简单来看不同快门速度拍照的例子：

而在电子世界中，当我们用一台示波器测量高频变化的电信号，我们所需要关注示波器的“快门时间”就是带宽，带宽决定了你的测试设备能“定格”多快的信号，也是示波器能测量的频率范围。

如果是数字信号，系统时钟信号通常是示波器需要捕捉的最高频率的信号，而要正常还原波形，所需示波器的带宽至少是它的3~5倍，如果带宽太低，示波器不能捕捉真实的高频变化，波形的边沿会降慢，细节会丢失。

下图是用不同带宽的示波器捕捉的100MHz方波信号例子，当我们使用60MHz带宽的示波器时，就仿佛在赛场上用老爷车的码表来测速，完全看不到方波的直角边沿，而是缓慢、圆滑的近似正弦波波形。直到用到350MHz带宽的示波器时，能开始上升沿和下降沿变得比较陡峭，开始接近信号的真实形状，而用到500MHz带宽时，上升沿和下降沿非常陡峭，所有细节一览无余，几乎就是信号原本的样子。

信号的上升时间也是对所需的示波器带宽的一个重要考量因素。前面提到，信号上升时间是用来衡量信号变化的快慢的重要指标。由信号频率估算的示波器带宽是为了看清波形样貌的基本需求，而为了精准捕捉信号变化瞬间的细节时，我们可以利用如下经验公式来估算所需带宽：

 例如，SiC器件的上升时间参数为10 ns，所需的带宽约为35MHz。这只是为了看清SiC器件的信号变化瞬间最低带宽要求，为了看的非常清晰（误差<2%），你应该至少选择3~5倍的带宽，比如200MHz以上的示波器。此外，好马配好鞍，探头和示波器构成了整体带宽的测量系统，使用低带宽探头会拉低整体带宽，所以一定要使用与示波器配套的探头。

下图是以SiC器件测试为例，在同一个系统中用两种不同带宽的电流探头来同时测量SiC器件在开通瞬间的电流信号，所用的示波器带宽为350MHz。

可以看到，相比于2000MHz的同轴电阻，用30MHz的罗氏线圈测试时，由于带宽不足，表观上升时间被拉长，罗氏线圈最多能显示接近其极限的信号频率（0.35/12.6ns ≈ 27.8MHz），而实际信号的频率可能达到近54MHz(0.35/6.5ns ≈ 53.8MHz)。可见，即使用上了高带宽的示波器，仍不能掉以轻心，如果测试探头没有满足带宽要求，你看到的只是设备的极限，而非SiC器件的极限。