Glasfaserisolierte Sonde beim Doppelimpulstest

Halbleitermaterialien mit großem Bandabstand (WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) zeichnen sich nicht nur durch hohe Temperatur- und Spannungsbeständigkeit aus, sondern weisen auch Eigenschaften wie geringe Verluste und schnelle Schaltfrequenzen auf. Um das Potenzial dieser fortschrittlichen Materialien jedoch voll auszuschöpfen, sind präzise Test- und Messtechniken von entscheidender Bedeutung. Insbesondere bei Doppelimpulstests gewährleisten optische Isolationssonden nicht nur die Sicherheit des Testprozesses, sondern verbessern auch die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messungen. In diesem Artikel wird erläutert, warum optische Isolationssonden bei Doppelimpulstests unverzichtbar sind.

Was ist ein Doppelpulstest?

Der Doppelimpulstest (DPT) ist eine experimentelle Methode zur Bewertung der Schaltleistung von Leistungselektronikgeräten wie IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors). Bei diesem Test werden zwei Spannungsimpulse von kurzer Dauer auf das Gerät angewendet, wodurch sein Schaltverhalten in tatsächlichen Schaltkreisen simuliert wird. Er wird verwendet, um die Schalteigenschaften des Geräts zu messen und zu analysieren, den Geräteantrieb und das Anwendungsdesign zu optimieren sowie zur Fehlerdiagnose und Validierung von Simulationsmodellen.

Die Wahl des Oszilloskops und der Sonden in DPT

Im Beispiel der Halbbrücken-Gate-Treiberschaltung für MOSFETs müssen wir Vds, Id und Vgs des unteren MOSFETs testen und auch Vgs des oberen MOSFETs beobachten. Die Wahl der hochauflösenden Oszilloskopserie Micsig MHO mit 500 MHz Bandbreite, 3GSa/s Abtastung, ≤1 % Genauigkeit und allen 4 Kanälen, die die gleichzeitige Beobachtung der oberen und unteren MOSFET-Schalter unterstützen, erfüllt die Testanforderungen für DPT (Doppelimpulsprüfung) perfekt.

Um die Id-Wellenform genau zu messen, muss sichergestellt werden, dass die verwendete Stromsonde über eine ausreichende Bandbreite verfügt. Verwenden Sie die Hochfrequenz-AC/DC-Stromsonde CP-Serie von Micsig, die eine Bandbreite von bis zu 100 MHz, eine Genauigkeit von 1 % und eine Auflösung von bis zu 1 mA bietet und Messungen bis zu 30 A unterstützt. Für Testanforderungen mit größeren Strömen können Sie die Rogowski-AC-Sonde RCP-Serie verwenden. Viele Benutzer haben jedoch möglicherweise folgende Frage: „Wir haben die Hochspannungs-Differenzialsonden der Micsig DP-Serie , die beim Testen von Siliziumgeräten gute Ergebnisse erzielten und sogar Spannungen bis zu 7000 V mit einer Bandbreite von 500 MHz maßen. Wenn wir jetzt auf GaN- und SiC-Geräte umsteigen, sollten die Sonden theoretisch die Bandbreitenanforderungen dieser Geräte erfüllen. Sie können den unteren MOSFET testen, aber warum treten beim Testen der Spannung des oberen MOSFET immer Probleme auf?

Durch Analyse und Vergleich der Daten aus der obigen Abbildung haben wir festgestellt, dass sowohl SiC- als auch GaN-Schalter Schaltgeschwindigkeiten im Nanosekundenbereich erreicht haben. Dieser erhebliche Vorteil reduziert den Energieverbrauch von Schaltnetzteilen, stellt aber auch eine große Herausforderung für Tests dar. In einer Halbbrückenschaltung schwankt die Vgs des High-Side-MOSFET zwischen dem Ein- und Ausschalten der Vds-Spannung, die sich in nur wenigen Nanosekunden von null Volt auf Tausende von Volt ändern kann. Die Kombination aus hoher Spannung und hoher Frequenz führt zu einem erheblichen Anstieg der harmonischen Komponenten höherer Ordnung. Die Differenzspannung Vgs unseres zu testenden Geräts beträgt oft nur einige zehn Volt und es treten erhebliche Gleichtaktstörungen durch die harmonischen Komponenten höherer Ordnung von Vds auf. Beim Messen müssen wir diese Gleichtaktstörungen so weit wie möglich unterdrücken. Dies erfordert, dass das Testgerät auch im Hochfrequenzbereich ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) aufrechterhält. Am Beispiel der DP-Serie beträgt das CMRR bei 100 kHz >-70 dB, bei 20 MHz >-40 dB und bei 120 MHz >-26 dB. Für Differenzialsonden gilt dieses CMRR unter Gleichaltrigen bereits als ausgezeichnet. Es reicht jedoch bei weitem nicht aus, um unsere Anforderungen für die Messung der Gate-Source-Spannung (Vgs) des High-Side-MOSFET bei hohen Frequenzen zu erfüllen. Wir benötigen ein Gerät, das auch im Hochfrequenzbereich ein sehr hohes CMRR beibehält.

Vergleich von Hochspannungsdifferenzsonde und optisch isolierter Sonde

Im Hinblick auf die Auswirkungen von CMRR auf Tests wollen wir einen Vergleich anstellen, um die Probleme zu betrachten, die durch Hochspannungsdifferenzsonden während des Tests verursacht werden, und den Vergleich von Sonden mit hohem CMRR.

Testmethode: Das zu testende Gerät ist ein SiC-Schalter mit High- und Low-Gates, der mit einer Vce-Spannung von ca. 500 V betrieben wird. Verwenden Sie gleichzeitig eine Hochspannungs-Differenzsonde (Micsig DP) und eine optisch isolierte Sonde (Micsig SigOFIT), die an das High-Side-Vge-Signal angeschlossen sind, für Doppelimpulstests.

Die obige Abbildung zeigt das Testergebnis. Das weiße Signal stellt das Ergebnis der Hochspannungsdifferenzsonde dar. Es ist zu beobachten, dass während der steigenden Flanke von Vge starke Schwingungen auftreten, wodurch es fast unmöglich wird, die ursprüngliche Wellenform zu erkennen. Wir haben zuvor eine Hochspannungsdifferenzsonde verwendet, um das obere Gate-Signal (Vge) eines Geräts mit einer Vce-Spannung von bis zu 800 V zu testen, und die Schwingungen überstiegen die Abschaltspannung des SiC, was die Bewertung des Ingenieurs erheblich beeinflusste. Während die rote Wellenform in der Abbildung mit einer optisch isolierten Sonde erhalten wurde, was zu deutlich weniger Signalstörungen führte. Bei unabhängigen Tests mit einer optisch isolierten Sonde gibt es fast keine Störungen. Die hier beobachtete Störung wird durch die Hochspannungsdifferenzsonde verursacht, die die optisch isolierte Sonde beeinflusst. Tatsächlich weist eine optisch isolierte Sonde im Vergleich zur Hochspannungsdifferenzsonde ein geringeres Grundlinienrauschen auf, was eine höhere Genauigkeit und die Fähigkeit zur Messung größerer Gleichtaktspannungen bietet. Wie wird dies erreicht?

Vorteile der optisch isolierten Sonde

Micsigs exklusive SigOFIT™-Technologie wählt vor dem Testen den für die zu testende Signalgröße geeigneten Dämpfer aus, sodass das Differenzialmodussignal von ±0,01 V bis ±6250 V im vollen Maßstab getestet werden kann. Während es sich an eine breite Palette von Tests anpasst, verbessert es die Testgenauigkeit (bis zu 1 %), reduziert den Grundrauschpegel und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis.

Modellvergleich	MOIP100P	MOIP200P	MOIP350P	MOIP500P	MOIP800P	MOIP1000P
Bandbreite	100 MHz	200 MHz	350 MHz	500 MHz	800 MHz	1GHz
Anstiegszeit	≤3,5 ns	≤1,75 ns	≤1ns	≤700 PS	≤438ps	≤350 PS
SMA-Eingangsimpedanz	1MΩ; \|\| 10pF	1MΩ; \|\| 10pF	1MΩ; \|\| 10pF	1MΩ; \|\| 10pF	1MΩ; \|\| 10pF	1MΩ; \|\| 10pF
Ausgangsspannung	±1,25V	±1,25V	±0,5V	±0,5V	±0,5V	±0,5V
Differenzspannungsbereich	1X: ±1,25 V 2X: ±2,5V 10X: ±12,5V 20X: ±25V 50X: ±62,5V 500X: ±625 V 1000X: ±1250V 2000X: ±2500V 5000X: ±6250V	1X: ±1,25 V 2X: ±2,5V 10X: ±12,5V 20X: ±25V 50X: ±62,5V 500X: ±625 V 1000X: ±1250V 2000X: ±2500V 5000X: ±6250V	1X: ±1,25 V 2X: ±2,5V 10X: ±12,5V 20X: ±25V 50X: ±62,5V 500X: ±625 V 1000X: ±1250V 2000X: ±2500V 5000X: ±6250V	1X: ±0,5V 2X: ±1V 10X: ±5V 20X: ±10V 50X: ±25V 500X: ±250 V 1000X: ±500V 2000X: ±1000V 5000X: ±2500V 1000X: ±5000V	1X: ±0,5V 2X: ±1V 10X: ±5V 20X: ±10V 50X: ±25V 500X: ±250 V 1000X: ±500V 2000X: ±1000V 5000X: ±2500V 1000X: ±5000V	1X: ±0,5V 2X: ±1V 10X: ±5V 20X: ±10V 50X: ±25V 500X: ±250 V 1000X: ±500V 2000X: ±1000V 5000X: ±2500V 1000X: ±5000V
Rauschen	<450μVrms	<450μVrms	<450μVrms	<450μVrms	<450μVrms	<450μVrms
Ausbreitungsverzögerung	15,42 ns (2 m Kabellänge)	15,42 ns (2 m Kabellänge)	15,42 ns (2 m Kabellänge)	15,42 ns (2 m Kabellänge)	15,42 ns (2 m Kabellänge)	15,42 ns (2 m Kabellänge)
Stromversorgung	USB Typ-C, DC: 5 V	USB Typ-C, DC: 5 V	USB Typ-C, DC: 5 V	USB Typ-C, DC: 5 V	USB Typ-C, DC: 5 V	USB Typ-C, DC: 5 V
DC-Verstärkungsgenauigkeit	1 %	1 %	1 %	1 %	1 %	1 %
Gleichtaktspannungsbereich	60kVpk	60kVpk	60kVpk	60kVpk	60kVpk	60kVpk
Kabellänge	2 M (Std.) (anpassbar)	2 M (Std.) (anpassbar)	2 M (Std.) (anpassbar)	2 M (Std.) (anpassbar)	2 M (Std.) (anpassbar)	2 M (Std.) (anpassbar)

Bei einer Bandbreite von bis zu 1 GHz kann das Rauschen der SigOFIT-Sonde innerhalb von 0,45 mVrms liegen. Selbst im Frequenzbereich von 1 GHz bleibt das CMRR über 100 dB. Daher müssen bei Verwendung einer optisch isolierten Sonde zur Messung der High-Side-Vgs die Auswirkungen von Gleichtaktstörungen nicht berücksichtigt werden, wodurch das Problem des unzureichenden CMRR bei Hochspannungs-Differenzsonden perfekt gelöst wird.

Darüber hinaus können Differenzialsonden aufgrund der Länge der Leitungen (im Allgemeinen etwa 20 cm) wie Antennen wirken und externe Magnetfeldstörungen aufnehmen. Angesichts der extrem hohen Schaltgeschwindigkeit von GaN können die von ihm erzeugten Magnetfelder beim Durchgang durch den Eingang von Hochspannungsdifferenzsonden Schwingungen auslösen, die manchmal bestimmte Grenzwerte überschreiten und ein sofortiges Durchbrennen oder eine Explosion der GaN-Geräte verursachen. Optisch isolierte Sonden verwenden dagegen MCX- oder MMCX-Verbindungen mit sehr kurzen Leitungen, wodurch der Antenneneffekt praktisch eliminiert wird. Die parasitäre Kapazität liegt im Bereich weniger pF, wodurch Sicherheitsrisiken durch parasitäre Effekte während des Tests effektiv eliminiert werden.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die optische Isolationssonde die Differenzialsonde in allen Leistungsaspekten tatsächlich übertroffen hat. Für Benutzer, die Doppelimpulstests durchführen müssen, ist die optisch isolierte Micsig- Sonde die beste Wahl.