Distorção de modo comum da sondagem de ampla banda proibida na eletrônica de potência

Sua tarefa

Quando se trabalha com semicondutores de potência de comutação rápida, como os dispositivos de ampla banda proibida (WBG ou «wide-bandgap»), é comum que haja oscilações rápidas e de alta tensão (HV). O tempo de subida/descida de dispositivos como os feitos de nitreto de gálio (GaN) tem uma faixa inferior a 2 ns, o que exige uma solução de sondagem de largura de banda maior, de até 1 GHz. Para otimizar a integridade do sinal em tais aplicações de potência, o desempenho da configuração da ponta de prova e a resposta em frequência precisam minimizar a distorção e a degradação do sinal.

As pontas de prova diferenciais de alta tensão são frequentemente usadas para medir sinais sem referência ao terra em uma tensão gate-source high-side para um conversor meia ponte. Observe aqui que a razão de rejeição em modo comum (CMRR) dessas pontas de prova, especialmente em altas frequências, ajuda a suprimir o ruído de modo comum ambiental rápido.

Limitação da ponta de prova diferencial de alta tensão convencional

Um concepção equivocada comum é que as pontas de prova diferenciais padrão são totalmente isoladas do aterramento em toda a sua largura de banda. Na realidade, o amplificador diferencial nessas pontas de prova é referenciado à terra, criando um caminho de retorno para sinais de modo comum quando usado com um instrumento de medição e limitando inerentemente seu desempenho de CMRR. Embora os cabos de plugue banana de 4 mm tenham as classificações para alta tensão necessárias em medições de potência, eles não têm impedância controlada e blindagem adequada, especialmente em frequências mais altas. Portanto, as pontas de prova diferenciais de alta tensão convencionais normalmente fornecem larguras de banda de até 400 MHz com supressão limitada de ruído de modo comum de cerca de -20 dB. Para cada 10 V de sinais de modo comum, 1 V aparece como ruído nas medições.

Eliminação do loop de aterramento em modo comum

Para medir com eficácia os dispositivos de potência de ampla banda proibida (WBG), que operam com tensões mais altas e velocidades de comutação mais rápidas, o isolamento galvânico total entre o dispositivo em teste e o dispositivo de medição é essencial para limitar o caminho de retorno de modo comum e reduzir o ruído. Uma abordagem popular para o isolamento é o acoplamento óptico ou indutivo usado em osciloscópios de canal isolado.

Entretanto, cabos não blindados e longos ainda podem introduzir ruído ao longo do caminho do sinal. A distância da ponta de prova em relação ao ponto de medição do dispositivo em teste deve ser minimizada. A substituição das pontas das sondas tradicionais por pontas coaxiais pode ajudar a manter a correspondência de impedância adequada e melhorar a precisão da medição.

A solução da Rohde & Schwarz

Sistema de pontas de prova isoladas R&S®RT-ZISO:

• Largura de banda: de 100 MHz até aproximadamente 1 GHz
• Faixa de entrada: ±3540 V (valor RMS)
• Faixa de modo comum: ±60 kV
• CMRR a 1 GHz: 90 dB
• Sensibilidade mais alta: faixa de ±10 mV

O sistema de pontas de prova isoladas R&S®RT-ZISO foi desenvolvido com essa abordagem de medição em mente. O cabeçote da ponta de prova se conecta ao dispositivo em teste por meio de uma ponta de prova coaxial curta (MMCX) para proteger os sinais medidos do ruído de modo comum e manter a impedância compatível e estável, permitindo que a ponta de prova opere mesmo em altas frequências de até 1 GHz. O cabeçote da ponta de prova converte os sinais medidos em sinais ópticos e os transmite para a caixa receptora, interrompendo o loop de aterramento em modo comum e reduzindo a perturbação durante a medição.

Ao caracterizar a entrada gate-source de ampla banda proibida high-side, o nó de comutação (C3) aplica a tensão de modo comum de comutação rápida ao ponto de medição. A tensão do gate high-side (C4, captura de tela abaixo, lado esquerdo) é altamente afetada pelo ruído de modo comum ao usar pontas de prova diferenciais de alta tensão convencionais.

O R&S®RT-ZISO captura a mesma tensão de gate (C2, captura de tela abaixo, lado direito) com bordas ligeiramente mais rápidas e menos ruído. O ruído observado nas pontas de prova diferenciais de alta tensão (C4) tem uma perturbação enorme e demora mais para se estabilizar. Os detalhes da forma de onda da tensão no gate, onde o tempo de carregamento e «Miller plateau» poderiam ser de interesse, podem ser altamente perturbados e ocultados pelo ruído de modo comum.

Resumo

O sistema de pontas de prova isoladas R&S®RT-ZISO minimiza o impacto do ruído de modo comum em alta frequência nas medições de potência de ampla banda proibida, de modo que o desempenho da CMRR atenda às expectativas em toda a faixa de frequência operacional. O tipo de conector da ponta de prova pode afetar a CMRR geral, portanto, inclua os requisitos de teste ao desenvolver um produto para obter os melhores resultados de medição.