Otimização de comutadores de semicondutores de amplo intervalo de banda para conformidade com EMI

A conformidade com EMI está se tornando uma importante preocupação para eletrônica de potência avançada devido ao aumento nas velocidades de comutação. Medições de frequência de tempo correlacionadas ajudam a otimizar o acionamento de porta e a minimizar as emissões eletromagnéticas durante o desenvolvimento.

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Sua tarefa

O uso de materiais de amplo intervalo de banda, como carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN) permite altas frequências de comutação e bordas ascendentes íngremes, bem como altas tensões. Essas características aumentam a eficiência das fontes de alimentação de comutação e aumentam o desafio para cumprir a conformidade com EMI. Levar em conta diretrizes de design para EMI reduzida é tão importante quanto testar e otimizar para conformidade com EMI na fase de desenvolvimento.

A solução da Rohde & Schwarz

Osciloscópios são ferramentas potentes que dão suporte às tarefas cotidianas de engenheiros elétricos. A sensibilidade e o desempenho dos osciloscópios atuais permitem tarefas de otimização de EMI durante a fase de design do novo produto. Entrada de largura de banda de resolução e frequência direta e uma rápida taxa de atualização são recursos úteis dos osciloscópios da Rohde & Schwarz. Em combinação com o conjunto de sondas compactas R&S®HZ-15 para medições de campo próximo E e H e o conjunto de sonda de campo próximo H compacta R&S®HZ-17 (ambos com largura de banda de 3 GHz), a origem e o caminho de emissões indesejadas em uma PCB podem ser facilmente localizados.

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FFT com porta ajuda a determinar quais segmentos do sinal no domínio de tempo se correlacionam a quais eventos no espectro.
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Aplicação

FFT com porta para análise de tempo-frequência correlacionada

Para análise avançada, por exemplo, correlação entre sinais no domínio de tempo e frequência, o recurso FFT com porta dos osciloscópios R&S®RTE1000 e R&S®RTO2000 é essencial. Essa função restringe a análise de espectro a uma região definida pelo usuário do sinal de domínio de tempo capturado.

Emissões espectrais excessivas podem, assim, estar correlacionadas a períodos dedicados em um sinal contínuo. Durante o teste de EMI, isso não apenas ajuda a identificar a fonte das emissões eletromagnéticas indesejadas nos sinais de domínio de tempo, como também habilita teste direto de diferentes cenários de operação.

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The EMI of a MOSFET bridge (red) is significantly reduced by optimizing the gate driving voltage (green). A rectangular gate drive signal was used in (1), while a modified two-level gate drive signal was applied in (2). © IFE Graz University of Technology, Austria
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Otimização de tensões de comutação de portal com relação à emissão de EMI

Uma fonte de emissões de EMI em circuitos de eletrônica de potência é a ponte MOSFET de comutação rápida. Modificar a tensão de acionamento de porta dos transistores de comutação é uma possibilidade simples para reduzir EMI. Isso requer a medição paralela da tensão de acionamento de porta, o sinal de saída e a radiação emitida, bem como o respectivo espectro.

Na figura abaixo, vários sinais de acionamento de uma ponte MOSFET e seu efeito sobre a radiação emitida são analisados. Em (1), um sinal de acionamento de porta retangular foi aplicado, enquanto em (2), um sinal de acionamento de porta retangular de dois níveis foi usado (verde). O monitoramento paralelo de emissão EMI com uma sonda de campo próximo mostra claramente que esse é um método eficaz: a amplitude dos componentes de alta frequência no sinal EMI (vermelho) é reduzida com eficiência.

Mais etapas de otimização

Para determinar a tensão de porta ideal, é preciso analisar parâmetros adicionais. A perda de comutação é um critério importante e pode aumentar com sinais de acionamento de porta alterados. Para medições de perda de comutação, sondas de corrente e sondas diferenciais de alta tensão são necessárias, e a tensão e a corrente máximas, bem como a largura de banda, são cruciais. É preciso cancelar a distorção de sinais de corrente e tensão para evitar erros de medição da perda de comutação:

  • Sondas diferenciais de alta tensão R&S®RT-ZHD são ideais para semicondutores de comutação rápida. Eles têm suporte para até 200 MHz de largura de banda e tensões mensuráveis máximas entre 750 V e 6 kV, combinadas com uma alta taxa de rejeição de modo comum.
  • Sondas de corrente R&S®RT-ZC permitem medições de corrente entre 5 A (RMS) e 500 V (RMS) com uma largura de banda entre 120 MHz e 2 MHz.
  • Acessórios de teste de calibração e cancelamento de distorção de potência R&S®RT-ZF20 compensam o atraso diferente entre sondas de corrente e tensão. Isso é essencial para medir com precisão a perda de comutação.

Resumo

A função FFT rápida e flexível dos osciloscópios da Rohde & Schwarz dão suporte ao teste de EMI detalhado para eletrônica de potência durante a fase de desenvolvimento de dispositivos eletrônicos de ponta. Em combinação com sondas de campo próximo e diferencial de alta tensão ou sondas de corrente, a otimização total de circuitos eletrônicos de potência é possível sem a necessidade de ferramentas de teste adicionais. Isso acelera o desenvolvimento de eletrônica de potência durante a fase de design do dispositivo e ajuda na aprovação no teste de qualificação de EMC.