Синфазные шумы в пробниках для измерений силовой электроники на основе полупроводников с широкой запрещенной зоной

Измерительная задача

При работе с быстродействующими силовыми полупроводниковыми устройствами, в число которых входят устройства с широкой запрещенной зоной, часто происходят быстрые скачки высокого напряжения. В устройствах на основе нитрида галлия (GaN) время нарастания/спада составляет менее 2 нс, поэтому здесь требуются пробники с увеличенным диапазоном частот до 1 ГГц. В целях оптимизации целостности сигналов в таких силовых устройствах рабочие параметры и частотная характеристика системы пробников должны сводить к минимуму искажение и ухудшение качества сигнала.

Высоковольтные дифференциальные пробники зачастую применяются для измерения сигналов «затвор-исток» без опорного заземления на стороне высокого напряжения полумостового преобразователя. Эти пробники имеют отличный коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) особенно на высоких частотах, что помогает подавлять быстро изменяющийся синфазный шум.

Ограничения стандартных высоковольтных дифференциальных пробников

Существует распространенное заблуждение, что стандартные дифференциальные пробники якобы имеют полную гальваническую развязку относительно земли во всем диапазоне частот. В действительности дифференциальный усилитель в этих пробниках имеет опорное заземление и создает электрическую обратную цепь для синфазных сигналов при его использовании в измерительном приборе. Соответственно, это ведет к ухудшению коэффициента подавления синфазного сигнала пробников. Несмотря на то, что кабели с вилками 4 мм типа «банан» имеют высоковольтную маркировку, необходимую для проведения силовых измерений, в них отсутствуют согласование импедансов и надлежащее экранирование, особенно на высоких частотах. По этой причине стандартные высоковольтные дифференциальные пробники обычно работают в диапазоне частот до 400 МГц с ограниченным подавлением синфазных шумов на уровне ок. –20 дБ. На каждые 10 В синфазного сигнала в измеряемый сигнал вносится шум 1 В.

Устранение контура заземления, вносящего синфазный шум

Для эффективного измерения силовых устройств на основе широкозонных полупроводников, которые работают с высокими напряжениями и малым временем переключения, требуется полная гальваническая развязка между испытуемым устройством и измерительным прибором, чтобы ограничить обратную цепь для синфазных сигналов и снизить шумы. В целях изоляции зачастую применяется индуктивная или оптическая связь в осциллографах с изолированными каналами.

Однако длинные и неэкранированные кабели могут по-прежнему вносить шумы в сигнальный тракт. Необходимо свести к минимуму расстояние между пробником и точкой измерения испытуемого устройства. Путем замены стандартных наконечников пробников на коаксиальные наконечники можно обеспечить требуемое согласование импедансов и повысить точность измерений.

Решение компании Rohde & Schwarz

Изолированная система подключения пробников R&S®RT-ZISO:

• Диапазон частот: от 100 МГц до ок. 1 ГГц
• Диапазон входного напряжения: ±3540 В (СКЗ)
• Диапазон синфазных сигналов: ±60 кВ
• Коэффициент подавления синфазного сигнала на частоте 1 ГГц: 90 дБ
• Наивысшая чувствительность: ±10 мВ

Изолированная система подключения пробников R&S®RT-ZISO разработана специально для решения описываемой выше измерительной задачи. Головка пробника подключается к испытуемому устройству с помощью короткого коаксиального наконечника пробника (MMCX), который защищает измеряемый сигнал от синфазного сигнала и поддерживает постоянное согласование импедансов, обеспечивая работу пробника на высоких частотах до 1 ГГц. Головка пробника преобразует измеряемые сигналы в оптические сигналы и передает их на приемник пробника. Таким образом устраняется контур заземления, вносящий синфазный шум, и снижаются помехи в ходе измерения.

При измерениях «затвор-исток» на стороне высокого напряжения в широкозонных полупроводниках узел коммутации (C3) вносит напряжение быстро изменяющегося синфазного сигнала в точку измерения. Напряжение затвора на стороне высокого напряжения (C4, см. снимок экрана ниже, слева) сильно подвержено влиянию синфазных сигналов при использовании стандартных высоковольтных дифференциальных пробников.

Система R&S®RT-ZISO захватывает аналогичное напряжение затвора (C2, см. снимок экрана ниже, справа) с более быстрыми фронтами сигнала и меньшим уровнем шума. Шумы в высоковольтных дифференциальных пробниках (C4) отличаются огромным возмущением и требуют длительного времени установления. Характеристики сигнала напряжения затвора, в котором присутствует участок заряда емкости Миллера и может потребоваться измерение времени заряда, могут существенно искажаться под воздействием синфазного сигнала или перекрываться им.

Заключение

Изолированная система подключения пробников R&S®RT-ZISO сводит к минимуму влияние высокочастотных синфазных сигналов на силовые измерения полупроводников с широкой запрещенной зоной и обеспечивает превосходный коэффициент подавления синфазного сигнала во всем рабочем диапазоне частот. Разъем наконечника пробника может оказывать влияние на общий коэффициент подавления синфазного сигнала, поэтому для получения оптимальных результатов измерений необходимо включить требования к измерительному оборудованию в проект разработки устройства.