Distorsion de mode commun du sondage des dispositifs d'électronique de puissance à large bande

Votre tâche

Lorsque l'on travaille sur des semi-conducteurs de puissance à commutation rapide tels que des appareils à large bande (WBG), des fluctuations rapides et haute tension (HV) sont classiques. Les temps de montée / descente des appareils tels que ceux basés sur le nitrure de gallium (GaN) possèdent une gamme < 2 ns, qui nécessite une solution de sondage à bande passante supérieure jusqu'à 1 GHz. Afin d'optimiser l'intégrité du signal dans de telles applications de puissance, la performance de la configuration de la sonde et la réponse en fréquence doivent minimiser la distorsion et la dégradation du signal.

Les sondes différentielles HV sont souvent utilisées pour mesurer des signaux sans référence à la masse dans une tension source élevée pour un convertisseur demi-pont. On notera ici que le taux de réjection de mode commun (CMRR) de ces sondes en particulier à fréquences élevées permet de supprimer le bruit CM environnemental.

Limitation d'une sonde différentielle HV classique

Une fausse idée classique est que les sondes différentielles standards sont entièrement isolées de la terre sur toute leur bande passante. En réalité, l'amplificateur différentiel de ces sondes est référencé à la terre, créant un trajet retour pour les signaux CM lorsqu'ils sont utilisés avec un instrument de mesure et limitant de manière inhérente leur performance CMRR. Alors que des câbles banane 4 mm possèdent des valeurs nominales HV nécessaires pour des mesures de puissance, ils ne possèdent pas d'impédance contrôlée et de blindage propre, en particulier à des fréquences élevées. Par conséquent, des sondes différentielles HV classiques fournissent généralement des bandes passantes jusqu'à 400 MHz avec une suppression de bruit CM limitée à environ –20 dB. Tous les 10 V de signaux CM, 1 V apparaît comme un bruit dans les mesures.

Rupture de la boucle de terre CM

Pour mesurer efficacement des appareils de puissance WBG, qui fonctionnent à des tensions plus élevées et à des vitesses de commutation plus rapides, une isolation galvanique complète entre le DUT et l'appareil de mesure est essentielle pour limiter le trajet retour CM et pour la réduction du bruit. Une approche populaire pour l'isolement est le couplage inductif ou optique utilisés dans des oscilloscopes à voies isolées.

Cependant, des câbles longs et non blindés peuvent encore introduire du bruit le long du trajet du signal. La distance de la sonde au point de mesure du DUT doit être minimisée. Le remplacement des pointes de sondes classiques par des pointes coaxiales peut aider à maintenir la bonne correspondance d'impédance et améliorer la précision de mesure.

Solution Rohde & Schwarz

Système de sondage isolé R&S®RT-ZISO :

• Bande passante : 100 MHz à approximativement 1 GHz
• Gamme d'entrée : ±3540 V (RMS)
• Gamme CM : ±60 kV
• CMRR à 1 GHz : 90 dB
• Sensibilité la plus élevée : gamme ±10 mV

Le système de sondage isolé R&S®RT-ZISO a été conçu avec cette approche de mesure à l'esprit. La tête de la sonde se connecte au DUT avec une pointe de sonde coax courte (MMCX) pour blinder les signaux mesurés du contre le bruit CM et garder stable l'impédance de correspondance, laissant la sonde fonctionner même à des fréquences élevées jusqu'à 1 GHz. La tête de la sonde convertit les signaux mesurés en signaux optiques et les transmet au boîtier de réception, en cassant la boucle de terre CM et en réduisant la perturbation au cours de la mesure.

Lors de la caractérisation de l'entrée source WBG, le noeud de commutation (C3) applique une tension CM de commutation rapide au point de mesure. La tension de porte à l'état haut (C4, capture d'écran ci-dessous, à gauche) est largement affecté par le bruit CM lors de l'utilisation de sondes différentielles HV classiques.

Le R&S®RT-ZISO capture la même tension de porte (C2, capture d'écran ci-dessous, à droite) avec des fronts légèrement plus rapides et moins de bruit. Le bruit observé sur les sondes différentielles HV (C4) présente une énorme perturbation et prend plus de temps à se régler. Les détails de la forme d'onde de la tension de porte où le plateau de Miller et le temps de charge pourraient être intéressants peuvent être très perturbés et dissimulés par le bruit CM.

Conclusion

Le système de sondage isolé R&S®RT-ZISO réduit l'impact du bruit CM à haute fréquence dans les mesures de puissance WBG, afin que la performance CMRR réponde aux attentes sur la gamme de fréquence de fonctionnement. Le type de connecteur de la pointe de sonde peut impacter le CMRR global, donc doit inclure des exigences de test lors de la conception d'un produit pour des résultats de mesure optimum.