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用于高级功率半导体测量的示波器

Rohde & Schwarz公司 Markus Herdin 2019-06-11

非常短的上升时间和低损耗是基于SiC和GaN半导体的功率晶体管的两个主要优点。这些优点转化为更高的效率和功率密度。同时,这种半导体提供高击穿电压,这是高功率转换器所必需的。尤其适用于电驱动器和电源转换器。但由于半导体存在破坏风险,必须严格遵守半导体规定的电压限制。lJ3电子头条

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因此,工程师面临一些新的挑战:远小于10 ns的开光时间通常要求测量大于200 MHz的带宽,这比典型的高压差分探头提供的带宽更大;为了优化开关转换器,通常需要同时显示和分析多个浮动信号。这禁止在实验室示波器上使用无源探头进行地面基准测量;在栅极—源极电压以及在不同通道之间具有类似的隔离要求条件下,测量电压范围从几V到高达1000V。lJ3电子头条

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隔离通道示波器:一种很好的解决方案lJ3电子头条

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为了实现非常高的共模抑制,可以使用专门的探测解决方案,但单个探头的成本比示波器高得多。此外,这些探头的输入电压范围有时是有限的,因此只能进行选定的测量。对于电子产品开发人员来说,这根本不是一个可行的选择。lJ3电子头条

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具有隔离输入通道的高级示波器提供了一种经济而有效的替代方案。便携式R&S Scope Rider就是这种仪器的一个很好的例子。它有四个隔离输入通道,可用于执行高达1000 V(RMS)的电压浮动测量,无需有源差分探头。它具有500 MHz带宽,非常适合测量SiC和GaN半导体。此外,它还可以为移动应用程序电池供电。与其他具有隔离输入的示波器不同,R&S Scope Rider提供实验室示波器级别的分析功能,包括一个速度极快的采集系统,每秒可采集50,000个信号波形,灵活的触发功能和广泛的自动测量功能。lJ3电子头条

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图1.测量谐振转换器的栅极源(C1,C2)和输出电压(C3)。资料来源:罗德与施瓦茨 lJ3电子头条

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图2.测量基于GaN的功率因数校正(PFC)输出级的开关周期。资料来源:罗德与施瓦茨lJ3电子头条

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正确的连接是必要的lJ3电子头条

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在电子设备上进行高质量测量需要正确的测试仪器和探头并要注意正确的连接。无源探头适合对具有隔离输入通道的示波器进行测量。在这里,与信号和地面连接的接触必须尽可能短,以便最小化振幅并实现高共模抑制。当使用无源探头时,接地弹簧通常有助于确保最佳接触。但在高压测量时,出于安全原因必须使用预制接触点。通常,小导线回路焊接在接触点上,这样无源探头就可以连接在那里。在某些情况下,安装BNC连接器作为替代。然后可以将BNC适配器与探针一起使用,以实现近乎理想的连接。lJ3电子头条

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图3.使用无源探头和带隔离输入的示波器安全测量危险带电电压的预制导体回路。资料来源:罗德与施瓦茨lJ3电子头条

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差分探头通常可以在电路中任意连接。但是,当使用隔离输入通道进行测量时,信号导体和接地连接的确切位置非常重要在隔离输入级采用的不平衡设计导致信号通路与地电势之间的电容比地电势与地电势之间的电容要低得多。为了获得满意的测量结果,信号路径应连接到适当的测量点。lJ3电子头条

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图4.对于带隔离输入通道的测量,信号导线应始终连接到适当的测量点。资料来源:罗德与施瓦茨 lJ3电子头条

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输入电压降很重要lJ3电子头条

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用于电驱动的转换器通常以10kHz至100kHz的时钟频率工作。为了对这种转换器进行安全测量,必须考虑测量系统的最大电压与频率的“降额”。对于每个测量系统,输入端子之间或一个输入和地电位之间的最大允许电压随频率而降低。如果超过这个电压,用户可能会受到威胁。R&S Scope Rider允许以高达100 kHz的全信号幅度进行测量,使仪器非常适合此应用。lJ3电子头条

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图5.在R&S Scope Rider的情况下降低示波器输入和地电位之间的最大电压。使用最大允许输入电压可以安全地测量高达100 kHz的时钟频率。资料来源:罗德与施瓦茨lJ3电子头条

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如果DUT也连接到电气设备,则还必须考虑测量类别。根据DUT在电气安装中的连接位置,测量系统必须能够承受输入通道上不同电压峰值,而不会因闪络或短路而危及用户安全。当位置接近电气安装连接时,可能出现更高的电压峰值,从而增加了所需的过载保护。4类隔离示波器(CAT IV等级)提供必要的安全等级。R&S Scope Rider具有高达8000 V的过载保护,因此适用于CAT IV环境中的600 V(RMS)或CAT III环境中的1000 V(RMS)。lJ3电子头条

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图6.符合EN 60664-1的测量类别。资料来源:罗德与施瓦茨lJ3电子头条

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附加功能简化了日常测量lJ3电子头条

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尖端示波器提供了许多功能,大大简化了日常测量。对于电力电子设备,这包括用于计算视在功率、有功功率和无功功率的自动测量功能,允许在开关操作中选择特定信号元件的灵活触发功能,以及用于对选定的测量值或信号进行长期监测的测量数据记录器或历史记录功能。lJ3电子头条

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图7.自动测量功能根据测量电压(通道1)和电流(通道2)计算视在功率,有功功率和无功功率以及功率因数。资料来源:罗德与施瓦茨lJ3电子头条

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谐波分析仪提供另一种有用的分析功能。电流和电压谐波是转换器的不需要的杂散产物。这些谐波必须在规定的范围内,以避免对配电网络的质量产生负面影响。其他重要参数包括不同谐波之间的相位关系以及总谐波失真(THD)。R&S Scope Rider由于其谐波分析功能提供了这些测量功能。如果需要,最多可以同时和自动地根据预定义的限制对四个通道进行评估、显示和监视。lJ3电子头条

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图8.三相100 V信号的谐波分析。蓝线表示符合EN 50160的电流限值.13次谐波及其特性突出显示; 三个通道的突出显示级别介于-56.5 dB和-51.0 dB之间。资料来源:罗德与施瓦茨lJ3电子头条

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为了在危险测试环境中提供最大的安全性,R&S Scope Rider(R&S RTH)可通过WLAN远程操作,从而将测试仪器操作与DUT完全分离。lJ3电子头条

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图9.在特别危险的测试环境中,R&S Scope Rider可通过WLAN远程操作。资料来源:罗德与施瓦茨lJ3电子头条

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总结lJ3电子头条

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开发人员已经开始认识到具有隔离输入通道的示波器是一种功能强大且经济高效的替代方案,可以安全地对电力电子模块进行测量。由于先进的前端技术,高达500 MHz的带宽和强大的信号处理能力,这些示波器现在也适用于基于GaN或SiC的半导体电路的测量。Rohde&Schwarz的R&S Scope Rider是该级别的代表,由于其广泛的分析功能以及独特设计的隔离输入通道,因此也非常适合经典示波器应用。lJ3电子头条