Einleitung

Das Prüfen von Hochspannungsschaltkreisen (HV) stellt aufgrund des Verletzungs- oder Geräteschadenspotenzials sowie der Anforderungen an die in HV-Halbleitern verwendeten Materialien einzigartige Herausforderungen dar. Schwebende HV-Messungen sind extrem gefährlich und schwierig durchzuführen. Herkömmliche passive Tastköpfe sind nicht die Antwort, aber isolierte und differenzielle Hochspannungstastköpfe sind Optionen. Doch wie können Sie angesichts der vielen Auswahlmöglichkeiten in diesen Kategorien entscheiden, welcher der beste HV-Oszilloskop-Tastkopf ist?und Muskelungleichgewichte im gesamten Körper,Anwendung?

Wir zeigen, wie Sie den richtigen HV-Tastkopf für Ihre Anwendung auswählen, indem wir ein praktisches Beispiel für die Auswahl eines Tastkopfs zur Durchführung von Schaltverlusttests an einer Vollbrücken-GaN-Halbleiterschaltung präsentieren. Natürlich werden wir ein neues Tool demonstrieren, den Leitfaden zur Auswahl von Hochspannungssonden, der auf der Website von Teledyne LeCroy unter folgender Adresse verfügbar ist: teledynelecroy.com/powerprobes

Die drei grundlegendsten Fragen

Wenn Sie zum Auswahlleitfaden für Hochspannungssonden gehen, werden Ihnen drei grundlegende Fragen gestellt, die die Richtigkeit oder Unrichtigkeit einer Sonde für eine bestimmte Anwendung bestimmen.

Was ist die DC-Busspannung?

Die Zwischenkreisspannung bestimmt die maximale Nennspannung, die für die bei der Messung zu verwendende Sonde erforderlich ist. Bei AC-Leitungssignalen ist dies die Spitze-zu-Spitze-Spannung der AC-Leitung. In einem Schaltnetzteil ist die Busspannung meistens entweder die vollwellengleichgerichtete Spitzenspannung der Wechselspannungsleitung oder die Amplitude der pulsweitenmodulierten (PWM) Signale von den Treiber-/Wechselrichterschaltungen.

Was ist das Material des Halbleitergeräts?

Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) sind alles beliebte Materialien für Halbleiterbauelemente, jedes mit seinen einzigartigen Anforderungen an die Anstiegszeiten für die Schaltsignale:

  • Si-Geräte können typischerweise Anstiegszeiten von 10 ns nicht schneller verarbeiten
  • Anstiegszeiten auf SiC-Geräten sind 3 bis 5 ns oder langsamer
  • Die Anstiegszeiten bei GaN-Geräten liegen in der Größenordnung von 1 bis 3 ns

Je größer der Spannungshub, desto langsamer werden die Anstiegszeiten, um die EMI unter Kontrolle zu halten.

Um schnelle Anstiegszeiten sowie einige Oberschwingungen zu messen, muss der Tastkopf über eine ausreichende Bandbreite verfügen. Um beispielsweise Gate-Treibersignale auf einem GaN-Gerät zu messen, könnte die erforderliche Sondenbandbreite näher bei 1 GHz liegen, während die erforderliche Bandbreite zum Messen von Ausgangssignalen auf demselben GaN-Gerät 700 MHz oder sogar nur 350 MHz betragen könnte.

Was sind die Anwendungen?

Der Leitfaden zur Auswahl von Hochspannungstastköpfen fragt Sie nach der beabsichtigten Messanwendung und bietet eine Auswahl an Leistungshalbleitertests, potenzialfreien Sensor- oder Systemeingangs-/Ausgangsmessungen. Diese grobe Kategorisierung bestimmt die relative Bedeutung vieler möglicher Sondenspezifikationen, einschließlich Spannungsbereich, Bandbreite, Dämpfung und Isolierung.

Das Testen von Leistungshalbleitern bezieht sich auf Messungen, die an einzelnen Geräten durchgeführt werden. Dazu gehört das Erfassen von MOSFET/IGBT-Gate-Treiber- und -Ausgangssignalen und deren anschließende Analyse. Die Analyse umfasst Totzeitverifizierung und Schaltverlustmessungen. Je nachdem, welches Halbleiterbauelement getestet wird, könnten ideale Sondenmerkmale einen großen Spannungsbereich, Offset-Fähigkeit, ein sehr gutes CMRR und eine höhere Bandbreite umfassen.

Floating-Sensor-Messungen umfassen Sondierungsreihen- oder Shunt-Widerstände, Strom- oder Temperatursensoren oder diskrete Komponenten. Diese Art der Anwendung bestimmt normalerweise die Isolationsanforderungen der Sonde, da die beteiligten Signale im Allgemeinen klein mit großen Spannungsoffsets sind.

System-Eingangs-/Ausgangsmessungen umfassen die netzseitige Wechselspannung, die Hoch- oder Niederspannungseingänge oder -ausgänge des DC/DC-Wandlers, den DC-Bus oder -Zwischenkreis und die PWM-Ausgänge des Wechselrichterantriebs. Großer Spannungsbereich und Gleichtakt sind typische Eigenschaften von Tastköpfen für diese Anwendung.

Verwendung des Leitfadens zur Auswahl von Hochspannungssonden

Teledyne LeCroy bietet diese einfache Möglichkeit, Ihnen bei der Auswahl eines Hochspannungstastkopfs für Ihre spezifische Anwendung zu helfen. Öffnen Sie den Leitfaden zur Auswahl von Hochspannungstastköpfen, beantworten Sie die drei grundlegenden Fragen und Sie erhalten eine Empfehlung für einen Hochspannungstastkopf mit Anmerkungen zu unseren Gründen für die Auswahl.

Screenshot der Auswahlhilfe

Der Auswahlleitfaden bewertet die Eignung jeder Sonde anhand eines einfachen, farbcodierten Schemas:

  • Schwarz:Die Sonde sollteabsolut nicht verwendet werdenfür diese Anwendung, da Schäden an der Sonde, dem Oszilloskop oder dem zu testenden Gerät (DUT) auftreten können oder der Bediener Schaden nehmen kann.
  • Rot:Die Sonde kann für diese Anwendung sicher verwendet werden, aber sie wird wahrscheinlich kein gutes Messergebnis liefern.
  • Gelb:Es gibt einige Kompromisse bei der Leistung der Sonde in dieser Anwendung, obwohl einige Benutzer feststellen können, dass die Sonde für sie gut funktioniert.
  • Grün:Dies ist die perfekte Sonde. Es gibt nur wenige Probleme bei der Verwendung und es wurde in Preis und Leistung für die Anwendung optimiert. Manchmal kann es die einzig sichere Wahl sein.

Sehen wir uns an, wie Sie den Leitfaden zur Auswahl von Hochspannungstastköpfen verwenden, um geeignete Optionen zum Testen eines Leistungshalbleiters mit einem 260-V-DC-Bus auszuwählen.

Ein praktisches Beispiel für die Auswahl der richtigen HV-Sonde

Die zu testende Schaltung ist eine Vollbrückentopologie mit vier Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) mit breiter Bandlücke (in diesem Fall GaN). Die gewünschte Messung besteht darin, die Schaltverluste der MOSFETs zu bestimmen. Es gibt zwei untere MOSFETs und zwei obere MOSFETs, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Topologie eines Vollbrücken-Wide-Bandgap (GaN)-Transistors.

Basierend auf den obigen Informationen, die:

  • Die DC-Bus-Spannungsauswahl ist 170 – 1000 VDC
  • Die Materialauswahl für Halbleitergeräte ist Wide-Bandgap (SiC oder GaN)
  • Die Anwendungsauswahl ist das Testen von Leistungshalbleitern.

Diese Informationen wurden in den Leitfaden zur Auswahl von Hochspannungssonden (Abbildung 3) eingegeben:

Auswahl zum Testen eines 260-VDC-Bus-GaN-Transistors (Wide-Bandgap).

Berücksichtigung der Anforderungen der Anwendung an Sondenspezifikationen

Die Ergebnisse erscheinen in einer Matrix, die den Bereich der berücksichtigten Anwendungsunterkategorien und die für jede Anwendung berücksichtigten HV-Sonden zeigt. In diesem Beispiel hat der Leitfaden zur Auswahl von Hochspannungstastköpfen die optisch isolierten Hochspannungstastköpfe der DL-ISO-Serie als beste Sondenoption (grün) für die Gate-Treiber- und Schaltverlustmessungen ausgewählt. Der DL-ISO ist ein neuer Tastkopf, der speziell für die Messung kleiner Signale entwickelt wurde, die auf einem Hochspannungs-DC-Bus schweben. Es verfügt über eine ähnliche optische Isolierung wie das Tektronix® IsoVu™. Die Hochspannungs-Differentialsonden der HVD-Serie sind qualitativ hochwertige Hochspannungs-Differentialsonden mit konventionellerem Design, und der Auswahlleitfaden hat angegeben, dass diese Sonde istgegebenenfallsverwendbar (gelb). Hinweise zu jeder Auswahl begründen kurz das Ergebnis, weitere Informationen hinter der Schaltfläche mit dem Buchstaben "i".

Warum sind Messungen von Leistungshalbleitern eine Herausforderung und warum diese Wahl?

  • Es ist relativ einfach, die unteren MOSFETs zu messen, da sie auf Masse bezogen sind. Einpolige passive Tastköpfe können verwendet werden, werden jedoch nicht empfohlen, da ein Hochspannungsabschnitt (HV) des Stromkreises leicht unachtsam abgetastet und der Tastkopf, das Oszilloskop oder das zu testende Gerät beschädigt oder dem Bediener Schaden zugefügt werden kann.
  • Es ist schwieriger, die oberen MOSFETs zu messen, da sie auf eine Spannung referenziert werden, die nicht Null ist. Dies nennt man ein schweben Messung. Dies schließt die Verwendung von massebezogenen einpoligen Tastköpfen aus, da sie das DUT kurzschließen würden. Diese Messung erfordert einen Hochspannungs-Differential- oder einpoligen isolierten Tastkopf.
  • Die MOSFET-Messungen auf der oberen Seite profitieren von dem hohen CMMR eines optisch isolierten Tastkopfs wie dem DL-ISO, um Schaltstörungen von den Geräten auf der unteren Seite zu widerstehen.
  • Bei der Messung von Wide-Bandgap-Geräten wie GaN und SiC kann auch eine hohe Bandbreite erwünscht sein, um die schnelleren Anstiegszeiten zu berücksichtigen, die von diesen Geräten unterstützt werden.

Die Messung sowohl der oberen als auch der unteren MOSFETs gibt einen vollständigen Einblick in das Verhalten des Designs. Zusätzlich zur Bewertung der Schaltverluste werden Designer das Timing bewerten, um zu erfahren, ob die Möglichkeit besteht, dass die oberen und unteren Geräte gleichzeitig eingeschaltet werden, was einen Kurzschluss (Durchschuss) verursachen würde. Daher ist es wichtig, eine Sonde zu haben, die für die Messungen an der oberen Seite eine angemessene Leistung erbringen kann.

Die einpolige passive Sonde ist eine schlechte Wahl (schwarz) für Floating-Messungen in den oberen MOSFETs. Es stellt auch ein Sicherheitsrisiko dar, wenn es in einer erdfreien Schaltungsumgebung verwendet wird, weshalb es eine schwarze Klassifizierung hat.

Der HVD-Tastkopf ist eine bessere Option als ein passiver Tastkopf, kann jedoch aufgrund seiner Eingangskapazität eine Schaltungsbelastung verursachen. Es kann auch eine unzureichende Bandbreite für die schnelleren Wide-Bandgap-Geräte haben, insbesondere die im Beispiel verwendeten GaN-Geräte. Es gibt Kompromisse bei der Verwendung dieses Sondentyps, aber einige Benutzer werden möglicherweise feststellen, dass die Sonde für ihre speziellen Messanforderungen gut funktioniert.

Ein Grund dafür, dass DL-ISO die beste Option ist, ist das CMRR der Sonde. Die DL-ISO-Serie hat einen CMRR von 160 dB bei DC und einen deutlich höheren CMRR als die anderen Tastköpfe bei höheren Frequenzen. Die HVD-Sonde hat ein CMRR von 85 dB bei DC und 65 dB bei 1 MHz. Während der Tastkopf der HVD-Serie für einen herkömmlichen HV-Differentialtastkopf über ein hervorragendes CMRR verfügt und je nach Gerät und Schaltung akzeptabel gut funktionieren kann, ist der CMRR nicht so gut wie DL-ISO und hat eine Bandbreite von viel weniger als 1 GHz.

Schließlich bietet die DL-ISO-Serie eine Bandbreite von bis zu 1 GHz, um den Anforderungen von GaN-Geräten gerecht zu werden. Die Tastköpfe der HVD-Serie haben eine Bandbreite von bis zu 400 MHz, was eher den Bandbreitenanforderungen von SiC- oder Silizium (Si)-Leistungshalbleitern entspricht.

Die beste Wahl für diese Art der Messung von Leistungsgeräten ist die einseitige, faseroptisch isolierte Sonde. Seine Single-Ended-Konfiguration minimiert die Belastung, was den Vorteil einer besseren Signaltreue bietet. Die Sondenisolationsschaltung ist weniger anfällig für Transienten. Es hat ein besseres CMRR bei hohen Frequenzen, was für Schaltungen wichtig ist, die Halbleiter mit großer Bandlücke verwenden, wie die GaN-MOSFETs in diesem Beispiel. In Kombination mit der Isolationsschaltung der Sonde führt dies zu genaueren Messungen auf der Oberseite.

Capture-Vergleich aus der realen Welt

Um dies zu beweisen, vergleichen wir Vds (MOSFET Drain-Source)-Signale, die mit einem DL-ISO-Tastkopf und einem HVD-Tastkopf erfasst wurden. Die DL-ISO-Sonde (magentafarbene Spur in der folgenden Abbildung) ist mit dem Gate eines der oberen MOSFETs verbunden. Die HVD-Sonde (blaue Spur) ist mit dem Gate des anderen oberen MOSFET verbunden. Dies ermöglicht eine gleichzeitige Beobachtung, ohne dass sich die Sonden durch Belastung der Schaltung gegenseitig beeinflussen, was passieren würde, wenn sie an derselben Messstelle angeschlossen wären.

Wellenformen eines GaN-Transistors (Wide-Bandgap), aufgenommen mit zwei unterschiedlichen Sondentopologien.

Beachten Sie, dass die HVD-Sonde an den Flankenübergängen ein kleines Überschwingen aufweist. Dieses Überschwingen ist höchstwahrscheinlich auf das niedrigere CMRR der HVD-Sonde im Vergleich zur DL-ISO zurückzuführen. Im Signal der DL-ISO-Sonde ist kein erkennbares Überschwingen sichtbar. Die optische Kopplung der DL-ISO-Sonde bietet die beste CMRR-Leistung, was dazu beiträgt, elektrische Transienten zu unterdrücken, die von anderen Stellen im Schaltkreis kommen.

Es gibt viele Überlegungen zur Auswahl des besten Hochspannungstastkopfs. Der Leitfaden zur Auswahl von Hochspannungstastköpfen auf der Website von Teledyne LeCroy ist der Ausgangspunkt für die Auswahl des besten Hochspannungstastkopfs für Ihre Anwendung. Basierend auf Ihren Anforderungen bietet es nützlich dokumentierte Empfehlungen für alle Hochspannungssondenangebote von Teledyne LeCroy.

Um den Leitfaden zur Auswahl von Hochspannungssonden auszuprobieren, besuchen Sie: teledynelecroy.com/powerprobes