Optisch isolierte Sonden für die Prüfung von Gleichstromversorgungen mit hoher Leistung verwenden

In der sich rasant entwickelnden Welt der Leistungselektronik und der Halbleiterprüfung sorgen fortschrittliche Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) für nie dagewesene Leistungen in Branchen wie Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energien, industrielle Energieumwandlung, Luft- und Raumfahrt und Hochgeschwindigkeitskommunikation. Diese Wide-Bandgap-Bauteile bieten hervorragende thermische Eigenschaften und eine hohe Durchbruchspannung, schalten aber auch viel schneller als herkömmliche Siliziumbauteile, was eine große Herausforderung für die genaue Messung von Wellenformen während der Entwicklung und Fehlersuche darstellt.

Herausforderungen bei der Prüfung von Hochgeschwindigkeitsnetzteilen

Moderne Stromversorgungsdesigns erfordern oft die präzise Messung von schnellen Schaltsignalen wie Gate-to-Source-Spannung (Vgs) und Drain-Strom (Id). Standard-Differenzialtastköpfe haben hier oft Probleme, weil sie keine ausreichende Gleichtaktunterdrückung und eine begrenzte Bandbreite haben, was zu fehlerhaften oder verzerrten Messwerten führt und die Validierung erschwert.

Testaufbau in der realen Welt

Ein führender Hersteller von Stromversorgungen in Guangdong stand bei der Entwicklung eines Hochleistungs-Gleichstromnetzteils auf Basis von SiC-MOSFETs vor genau dieser Herausforderung. Die Ingenieure beobachteten unregelmäßige Schwingungen in der Vgs-Wellenform des Top-Transistors, wenn sie herkömmliche Differenzialsonden verwendeten.

Um dieses Problem zu lösen, verwendete das Testteam eine optisch isolierte Sondenlösung in Kombination mit einem hochauflösenden Oszilloskop und einer flexiblen Stromsonde. Dieser Messaufbau lieferte zuverlässige Messwerte und ermöglichte es den Ingenieuren, die Schaltvorgänge eindeutig zu beobachten und zu verstehen, ohne dass es zu Interpretationsfehlern aufgrund schlechter Isolierung oder begrenzter Bandbreite kam.

Für die Testlösung verwendete Instrumente

Optisch isolierte Prüfspitze (MOIP-Serie) - Bietet eine starke Isolierung und ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) selbst bei Gigahertz-Frequenzen.
Hochauflösendes Oszilloskop (MHO3-Serie) - Bietet einen großen Speicher und hohe Abtastraten für die präzise Erfassung von Wellenformen.
Flexibler Rogowski-Strommesskopf (RCP-Serie) - Ermöglicht genaue Strommessungen in kompakten PCB-Umgebungen.

Die Kombination dieser leistungsstarken Instrumente gewährleistet die Signalintegrität sowohl bei Spannungs- als auch bei Strommessungen bei Hochfrequenzschaltungen.

Vor-Ort-Prüfeinrichtung

Die Vor-Ort-Prüfumgebung zeigt einen kompletten Messaufbau, bestehend aus einem hochauflösenden digitalen Oszilloskop (MHO3-Serie - MHO3-5004), einem optisch isolierten Tastkopf (MOIP-Serie - MOIP1000P), einem flexiblen Rogowski-Stromtaster (RCP-Serie - RCP600XS) und dem zu prüfenden Gerät (DUT).

Der Anschlussplan zeigt, wie die optische Isolationssonde MOIP1000P über ein MMCX-Koaxialkabel mit dem Vgs-Signal des oberen Schalters verbunden wird. Gleichzeitig wird die Rogowski-Spule RCP600XS verwendet, um den Drain-Strom (Id) des oberen Schalters zu messen, indem der Leiter durch die Sondenschleife direkt zu den Gerätepins geführt wird.

Die Wellenformanzeige des Oszilloskops zeigt sowohl Spannungs- als auch Strommessungen gleichzeitig an. Kanal 4 (grüne Kurve) zeigt die Wellenform des oberen Schalters Vgs an, während Kanal 2 (blaue Kurve) die entsprechende Stromwellenform des oberen Schalters Id anzeigt, was eine genaue Korrelation zwischen Schaltverhalten und Stromfluss ermöglicht.

Kundenerfahrung und Feedback

Vor dem Einsatz der optisch isolierten Tastkopftechnologie verließ sich das Ingenieurteam auf herkömmliche Differenzialtastköpfe zur Signalmessung. Während der Tests kam es zu auffälligen Schwingungen in der Wellenform des oberen Schalters während des Ein- und Ausschaltvorgangs. Da das Team bisher wenig Erfahrung mit optischen Isolationslösungen hatte, nahm es zunächst an, dass das Problem durch die Schaltung selbst verursacht wurde.

Infolgedessen wurde viel Zeit damit verbracht, das Schaltungslayout zu ändern, die Parameter abzustimmen und alternative Konfigurationen zu testen - aber das Problem der Oszillation blieb bestehen. Als die optische Isolationssonde als Versuchslösung eingeführt wurde, war die Verbesserung sofort sichtbar. Die erfassten Wellenformen stimmten genau mit den theoretischen Modellen und den Simulationsergebnissen überein, so dass die Ingenieure das tatsächliche Verhalten der Schaltung schnell erkennen und eine kritische F&E-Herausforderung lösen konnten.

Fazit

Micsig bietet mit dem MOIP1000P eine optische Isolationssonde an, die eine außergewöhnliche Gleichtaktunterdrückung (CMRR) von bis zu 180 dB aufweist und bei einer Bandbreite von 1 GHz immer noch über 100 dB CMRR bietet.

Damit ist die Sonde ideal für die Prüfung von Hochgeschwindigkeits-Leistungselektronik, insbesondere für Designs mit SiC- und GaN-Leistungsbauelementen. Ingenieure können reale obere Spannungswellenformen der Schalter Vgs genau erfassen, was eine präzise Bewertung der Schaltleistung ermöglicht und sicherstellt, dass die Schaltungsentwürfe die strengen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Effizienz erfüllen.

Durch die Verbesserung der Wellenformgenauigkeit und die Beseitigung messtechnisch bedingter Artefakte trägt die optische Isolationsmessung dazu bei, die Produktqualität insgesamt zu verbessern und die Entwicklungszyklen zu beschleunigen - und damit die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Leistungselektronikmarkt zu stärken. Die fortschrittlichen Messlösungen von Micsig unterstützen auch weiterhin Innovationen in der Stromversorgungs- und Halbleiterindustrie.

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