Strmé hrany, vysoké prúdy: prúdové sondy pre SiC a GaN

Prechodové deje v SiC a GaN výkonových polovodičoch prebiehajú tak rýchlo, že ich prúdová sonda dokáže verne zachytiť iba vtedy, ak jej šírka pásma výrazne presahuje základnú frekvenčnú zložku meraného signálu.

Model CT6704 nahrádza sondu 3274, model CT6705 zase sondu 3275. Zlepšenie parametrov je pritom výrazné.

• CT6704 ponúka pásmo DC až 30 MHz s dobou nábehu 11,6 ns, zatiaľ čo predchádzajúci model 3274 dosahoval iba DC až 10 MHz pri dobe nábehu 35 ns.
• CT6705 poskytuje pásmo DC až 15 MHz s dobou nábehu 23,3 ns, oproti modelu 3275 s rozsahom DC až 2 MHza dobou nábehu 175 ns.
  To znamená približne trojnásobnú šírku pásma pri modeli CT6704 a viac ako sedemnásobnú pri modeli CT6705 spolu s výrazne kratšou dobou nábehu.

Pri skutočnom meraní je rozdiel zásadný – namiesto skreslenej aproximácie uvidíte skutočný priebeh spínacej hrany.

Prúdová sonda má okrem šírky pásma ešte jedno dôležité obmedzenie – znižovanie dovoleného prúdu so zvyšujúcou sa frekvenciou (derating).

S rastúcou frekvenciou už sonda nedokáže bezpečne prenášať svoj plný menovitý prúd, pretože by dochádzalo k jej nadmernému zahrievaniu. Dôvodom sú predovšetkým vírivé prúdy, ktoré vysokofrekvenčné signály vytvárajú v kovových častiach sondy.

Pri starších modeloch bolo toto obmedzenie prekvapivo výrazné:

• model 3274 zvládal plný menovitý prúd iba približne do 100 Hz
• model 3275 približne do 400 Hz

To je pre dnešnú výkonovú elektroniku úplne nedostatočné, pretože spínacie frekvencie sa bežne pohybujú rádovo vyššie. Výsledkom bolo, že staršie sondy dokázali pri týchto frekvenciách prenášať iba zlomok svojho menovitého prúdu.

Bežným riešením bolo použitie sondy s vyšším prúdovým rozsahom. Tá však spravidla ponúkala nižšiu šírku pásma a pomalšiu odozvu. Inými slovami – získali ste vyšší prúdový rozsah, ale zaplatili ste zaň nižšou rýchlosťou.

Modely CT6704 a CT6705 využívajú nové magnetické aj tepelné konštrukčné riešenie, ktoré výrazne obmedzuje vnútorné zahrievanie pri vysokých frekvenciách.

Pri izbovej teplote preto:

• CT6704 udrží plný menovitý prúd až do 100 kHz
• CT6705 až do 10 kHz,

zatiaľ čo ich predchodcovia dosahovali tieto hodnoty iba približne do 100 Hz, respektíve 400 Hz.

Staršie sondy 3274 a 3275 využívali na meranie jednosmernej a nízkofrekvenčnej zložky prúdu Hallov snímač.

Hallov prvok je polovodič, ktorého vlastnosti sa menia s teplotou. Keď sa sonda zahrieva, mení sa aj jej nulová úroveň (offset) a dochádza k teplotnému driftu.

Sonda sa pritom zahrieva pomerne ľahko:

• okolitým prostredím
• blízkosťou výkonovej elektroniky
• predovšetkým vysokofrekvenčnými zložkami meraného signálu, ktoré ju zahrievajú zvnútra

Samotný jednosmerný prúd pritom významné zahrievanie nespôsobuje.

Nové modely CT6704 a CT6705 nahrádzajú Hallov snímač technológiou Fluxgate, bez toho, aby obetovali vysokú šírku pásma. Naopak – šírka pásma sa ešte zvýšila.

Technológia Fluxgate prináša predovšetkým:

• približne o 90 % nižší teplotný drift DC offsetu
• po prvýkrát pri osciloskopickej prúdovej sonde špecifikovaný teplotný koeficient offsetu v katalógových údajoch (±0,1 mV/°C)
• rozšírený prevádzkový teplotný rozsah −10 až +50 °C namiesto pôvodných 0 až +40 °C

Rovnaký princíp merania využívajú aj vysoko presné prúdové senzory používané s analyzátormi výkonu HIOKI. Teraz je táto osvedčená technológia dostupná aj v kliešťovej prúdovej sonde so štandardným BNC konektorom.

Prirodzene sa ponúka otázka: ak osciloskop súčasne meria napätie aj prúd, prečo z nich jednoducho nevypočítať výkon?

Odpoveď závisí od toho, aký druh výkonu chceme merať.

Prvým prípadom sú spínacie straty výkonového polovodiča, teda energia vznikajúca pri každom zapnutí a vypnutí. Tu je osciloskop nenahraditeľný, pretože dokáže zachytiť extrémne rýchle prechodové deje, ktoré analyzátor výkonu pre obmedzenú šírku pásma nezobrazí. Práve na tento účel boli sondy CT6704 a CT6705 navrhnuté.

Druhým prípadom je meranie energetickej bilancie celého obvodu – účinnosti, celkových strát alebo porovnania vstupného a výstupného výkonu.

Aj osciloskop s vysokým rozlíšením dokáže výkon vypočítať, rozhodujúci je však fázový posun medzi prúdom a napätím. Čím nižší je účinník, tým väčší vplyv má aj veľmi malá fázová chyba na výslednú hodnotu činného výkonu.

Preto patrí presné meranie výkonu do oblasti analyzátorov výkonu, ktoré používajú prúdové senzory s čo najstabilnejšou fázovou charakteristikou v celom pracovnom frekvenčnom pásme. Pre najvyššiu presnosť sa používajú priechodné prevodníky, napríklad CT6904A.

Sonda CT6705 bola naopak optimalizovaná na iné vlastnosti – verné zachytenie spínacej hrany a veľmi rýchlu odozvu. Na vysoko presné meranie striedavého výkonu preto nie je určená.

Tieto prúdové sondy boli navrhnuté na presné zachytenie priebehu prúdu pri vývoji výkonových polovodičov. Ponúkajú dostatočnú šírku pásma na zobrazenie rýchlych spínacích hrán, možnosť merať plný menovitý prúd až do výrazne vyšších frekvencií než predtým a stabilnú nulovú úroveň bez teplotného driftu.

Nové prúdové sondy CT6704 a CT6705 boli navrhnuté predovšetkým na vývoj modernej výkonovej elektroniky.

Ponúkajú:

• dostatočnú šírku pásma na presné zachytenie veľmi rýchlych spínacích hrán
• schopnosť prenášať plný menovitý prúd až do výrazne vyšších frekvencií než predchádzajúca generácia
• minimálny teplotný drift nulovej úrovne vďaka technológii Fluxgate

Výsledkom je presnejšie zobrazenie priebehu prúdu práve tam, kde je to pri vývoji SiC a GaN aplikácií najdôležitejšie.

Kai Scharrmann, HIOKI Europe GmbH