Distorsione di modo comune delle sonde per l'elettronica di potenza con semiconduttori wide-bandgap

Attività da eseguire

Quando si lavora con semiconduttori di potenza a commutazione, rapida come i dispositivi ad elevata banda proibita (wide bandgap), insorgono molto frequentemente oscillazioni veloci e ad alta tensione. Il tempo di salita/discesa dei dispositivi più veloci, come quelli realizzati in nitruro di gallio (GaN), può essere inferiore ai 2 ns, il che richiede un sistema di sonde con banda passante particolarmente elevata, fino a 1 GHz. Per ottimizzare l'integrità del segnale in tali applicazioni di potenza, le prestazioni della sonda e la risposta in frequenza devono ridurre al minimo la distorsione e il degrado del segnale.

Le sonde differenziali ad alta tensione sono spesso utilizzate per misurare segnali senza un riferimento a terra, ad esempio per osservare la tensione gate-source nel ramo superiore (high-side) di un circuito di conversione a mezzo ponte. Si noti che il rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) di queste sonde, specialmente alle alte frequenze, aiuta a sopprimere rapidamente il rumore ambientale di modo comune.

Limitazioni delle sonda differenziali ad alte tensione convenzionali

Un'idea comune errata è che le sonde differenziali standard siano completamente isolate dalla terra su tutta la loro larghezza di banda. In realtà, l'amplificatore differenziale in queste sonde è riferito a terra, creando un percorso di ritorno per i segnali di modo comune quando è utilizzato con uno strumento di misura, il che ne limita intrinsecamente le prestazioni in termini di CMRR. Mentre i cavi con connettore a banana da 4 mm sopportano le tensioni elevate necessarie per le misure di potenza, non offrono invece un'impedenza controllata e una schermatura adeguata, specialmente alle frequenze più elevate. Pertanto, le sonde differenziali ad alte tensione convenzionali offrono tipicamente larghezze di banda fino a 400 MHz con una limitata soppressione del rumore di modo comune, di circa -20 dB. Per ogni 10 V di segnali di modo comune, 1 V appare come rumore nelle misure.

Interruzione del loop di massa di modo comune

Per misurare efficacemente i dispositivi di potenza con semiconduttori ad elevata banda proibita, che lavorano a tensioni più elevate e velocità di commutazione più rapide, è essenziale avere un isolamento galvanico completo tra il dispositivo in esame e il dispositivo di misura, per limitare il percorso di ritorno di modo comune e ridurre il rumore. Un approccio molto diffuso per l'isolamento è l'accoppiamento induttivo o ottico utilizzato negli oscilloscopi a canale isolato.

Tuttavia, i cavi lunghi e non schermati possono comunque introdurre rumore lungo il percorso del segnale. La distanza della sonda dal punto di misura del dispositivo in esame deve essere ridotta al minimo. Sostituire le tradizionali punte delle sonde con punte coassiali può aiutare a mantenere un corretto adattamento d'impedenza e migliorare l'accuratezza delle misure.

Soluzione Rohde & Schwarz

Sistema a sonda isolata R&S®RT-ZISO:

• Larghezza di banda: da 100 MHz a circa 1 GHz
• Intervallo di ingresso: ±3.540 V (RMS)
• Intervallo di modo comune: ±60 kV
• CMRR a 1 GHz: 90 dB
• La sensibilità più alta: intervallo ±10 mV

Il sistema a sonda isolata R&S®RT-ZISO è progettato con questo approccio di misura in mente. La testa della sonda si collega al dispositivo in esame tramite una breve punta di sonda coassiale (MMCX) per schermare i segnali misurati dal rumore di modo comune e mantenere un'impedenza stabile e adattata, consentendo alla sonda di funzionare anche a frequenze elevate, fino a 1 GHz. La sonda converte i segnali misurati in segnali ottici e li trasmette all'unità ricevente, interrompendo il circuito di massa di modo comune e riducendo le interferenze durante la misura.

Quando si caratterizza l'ingresso gate-source di un dispositivo wide-bandgap sul ramo superiore, il nodo di commutazione (C3) applica una tensione di modo comune a commutazione rapida al punto di misura. L'alta tensione del gate nel ramo superiore (C4, screenshot qui sotto, lato sinistro) è fortemente influenzata dal rumore di modo comune quando si utilizzano sonde differenziali ad alta tensione convenzionali.

La sonda R&S®RT-ZISO cattura la stessa tensione di gate (C2, screenshot qui sotto, lato destro) con fronti leggermente più veloci e meno rumore. Il rumore osservato sulle sonde differenziali ad alta tensione (C4) ha una grande perturbazione e impiega più tempo a stabilizzarsi. I dettagli della forma d'onda della tensione di gate, in cui il plateau di Miller e il tempo di carica potrebbero essere di interesse, possono essere fortemente disturbati e nascosti dal rumore di modo comune.

Riassunto

Il sistema di sonde isolate R&S®RT-ZISO riduce al minimo l'impatto del rumore di modo comune ad alta frequenza nelle misure sui semiconduttori di potenza ad elevata banda proibita, in modo che le prestazioni in termini di CMRR soddisfino le aspettative nell'intera gamma di frequenza operativa. Il tipo di connettore della punta della sonda può influire sul CMRR complessivo, quindi bisogna includere i requisiti di test durante la progettazione di un prodotto per ottenere risultati di misura ottimali.