Distorsión de modo común en el sondeo de electrónica de potencia con amplia brecha de bandas

Su misión

Cuando se trabaja con semiconductores de potencia de conmutación rápida, como los dispositivos con amplia brecha de bandas (WBG), son habituales las oscilaciones rápidas y de alta tensión. El tiempo de subida/bajada de dispositivos como los de nitruro de galio (GaN) presentan un rango de < 2 ns, que exige una solución de sondeo con mayor ancho de banda de hasta 1 GHz. Para optimizar la integridad de señal en este tipo de aplicaciones de potencia, el rendimiento y la respuesta en frecuencia de la configuración de la sonda deben reducir al mínimo la distorsión y la degradación de la señal.

Las sondas diferenciales de alta tensión se emplean a menudo para medir señales sin una referencia a tierra en una tensión de fuente de lado alto para un convertidor medio puente. Téngase en cuenta aquí que el factor de rechazo en modo común de estas sondas, especialmente a altas frecuencias, ayuda a suprimir el ruido de modo común rápido del entorno.

Limitación de la sonda diferencial de alta tensión convencional

Una idea equivocada generalizada es que las sondas diferenciales estándar están totalmente aisladas de tierra en todo su ancho de banda. En realidad, el amplificador diferencial de estas sondas está referenciado a tierra, creando un camino de retorno para señales de modo común cuando se utilizan con un instrumento de medida y limitando de forma inherente su rendimiento de factor de rechazo en modo común. Si bien los cables de conector banana de 4 mm tienen valores nominales de alta tensión necesarios para medidas de potencia, carecen de impedancia controlada y del apantallamiento apropiado, sobre todo a altas frecuencias. Por consiguiente, las sondas diferenciales de alta tensión convencionales ofrecen generalmente anchos de banda de hasta 400 MHz con una supresión de ruido de modo común limitada de aproximadamente –20 dB. Por cada 10 V de señales de modo común se presenta 1 V como ruido en las medidas.

Romper el bucle de tierra de modo común

Para medir de forma eficaz dispositivos de potencia WBG, que operan a tensiones más altas y con velocidades de conmutación más rápidas, es esencial contar con un aislamiento galvánico total entre el DUT y el instrumento de medida para limitar el camino de retorno de modo común y reducir el ruido. Un método habitual de aislamiento es el inductivo o mediante optoacoplamiento en osciloscopios con canales aislados.

Sin embargo, los cables largos o sin apantallamiento pueden introducir todavía ruido a lo largo del camino de señal. La distancia de la sonda respecto al punto de medida del DUT debe reducirse al mínimo. Sustituir las puntas de sonda tradicionales por puntas coaxiales puede servir de ayuda para mantener una adaptación de impedancia adecuada y mejorar la exactitud de medida.

Solución Rohde & Schwarz

Sistema de sondeo con aislamiento R&S®RT-ZISO:

• Ancho de banda: de 100 MHz a aproximadamente 1 GHz
• Rango de entrada: ±3540 V (valor eficaz)
• Rango de modo común: ±60 kV
• Factor de rechazo en modo común a 1 GHz: 90 dB
• Sensibilidad máxima: rango de ±10 mV

El sistema de sondeo con aislamiento R&S®RT-ZISO se ha diseñado teniendo en cuenta este método de medida. El cabezal de sonda se conecta al DUT a través de una punta de sonda coaxial corta (MMCX) para apantallar las señales medidas del ruido de modo común y mantiene la impedancia estable y adaptada, de forma que la sonda funciona incluso con altas frecuencias de hasta 1 GHz. El cabezal de sonda convierte las señales medidas en señales ópticas y las transmite a la caja del receptor, separando el bucle de tierra de modo común y reduciendo las interferencias durante la medida.

Al caracterizar una entrada de fuente de una puerta WBG de lado alto, el nodo de conmutación (C3) aplica tensión de modo común con conmutación rápida al punto de medida. La tensión de puerta de lado alto (C4, véase la captura de pantalla de abajo, al lado izquierdo) se ve altamente afectada por el ruido de modo común si se utilizan sondas diferenciales de alta tensión convencionales.

El R&S®RT-ZISO captura la misma tensión de puerta (C2, véase la captura de pantalla de abajo, al lado derecho) con flancos ligeramente más rápidos y menos ruido. El ruido apreciado en las sondas diferenciales de alta tensión (C4) tiene un alto grado de perturbación y necesita más tiempo hasta estabilizarse. Los detalles de la forma de onda de la tensión de puerta donde la meseta de Miller y el tiempo de carga podrían ser de interés pueden verse altamente perturbados y ocultos por el ruido de modo común.

Resumen

El sistema de sondeo con aislamiento R&S®RT-ZISO reduce al mínimo el efecto del ruido de modo común de alta frecuencia en medidas de potencia de WBG, de forma que el rendimiento de factor de rechazo en modo común satisface las expectativas en todo el rango de frecuencias de operación. El tipo de conector de la punta de sonda puede repercutir en el factor de rechazo en modo común en general, por lo tanto, deben incluirse los requisitos de prueba a la hora de diseñar un producto para obtener unos resultados de medida óptimos.