Optimierung von Halbleiterschaltern mit großer Bandlücke, um EMI-Konformität zu erreichen

Die EMI-Konformität erlangt aufgrund steigender Schaltgeschwindigkeiten bei moderner Leistungselektronik immer größere Bedeutung. Korrelierte Zeit-Frequenz-Messungen unterstützen die Gate-Treiber-Optimierung und minimieren elektromagnetische Emissionen bereits während der Entwicklung.

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Ihre Anforderung

Die Verwendung von Materialien mit großer Bandlücke wie Siliciumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) ermöglicht hohe Schaltfrequenzen und steile Anstiegsflanken sowie hohe Spannungen. Diese Eigenschaften verbessern den Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen und erhöhen die Anforderungen an die EMI-Konformität. Gestaltungsrichtlinien für verminderte elektromagnetische Störungen zu berücksichtigen, ist genauso wichtig wie das Testen und die Optimierung der EMI-Konformität während der Entwicklungsphase.

Lösung von Rohde & Schwarz

Oszilloskope sind leistungsstarke Werkzeuge, die den Elektroingenieur bei seinen tagtäglichen Aufgaben unterstützen. Die Empfindlichkeit und Leistungsfähigkeit heutiger Oszilloskope ermöglichen Optimierungsaufgaben hinsichtlich elektromagnetischer Störungen während der Entwicklungsphase eines neuen Produkts. Die direkte Eingabe von Frequenz und Auflösebandbreite sowie eine hohe Aktualisierungsrate sind nützliche Features der Oszilloskope von Rohde & Schwarz. In Kombination mit dem R&S®HZ-15 kompakten Sondensatz für E- und H-Nahfeldmessungen und dem R&S®HZ-17 kompakten H-Nahfeldsondensatz (beide mit 3 GHz Bandbreite) lassen sich Quelle und Übertragungswege von unerwünschten Aussendungen auf einer Leiterplatte ganz einfach lokalisieren.

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Mit der zeitbeschränkten FFT-Funktion lässt sich bestimmen, welche Segmente des Zeitbereichssignals mit welchen Ereignissen im Spektrum korrelieren
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Applikation

Zeitbeschränkte FFT-Funktion für korrelierte Zeit-Frequenz-Analyse

Für eine tiefere Analyse, beispielsweise die Korrelation von Signalen im Zeit- und Frequenzbereich, ist die zeitbeschränkte FFT-Funktion der R&S®RTE1000 und R&S®RTO2000 Oszilloskope unabdingbar. Diese Funktion begrenzt die Spektrumanalyse auf einen benutzerdefinierten Bereich des erfassten Zeitbereichssignals.

Zu starke spektrale Emissionen können so mit dedizierten Zeiträumen in einem kontinuierlichen Signal korreliert werden. Während der Funkstörmessungen ist dies nicht nur hilfreich bei der Identifizierung der Quelle von unerwünschten elektromagnetischen Aussendungen in Zeitbereichssignalen, sondern ermöglicht auch einfache Tests von unterschiedlichen Betriebsszenarien.

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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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Optimierung von Gate-Treiber-Spannungen im Hinblick auf EMI-Aussendungen

Eine Quelle von EMI-Aussendungen in Leistungselektronik-Schaltungen ist die schnell schaltende MOSFET-Brücke. Die Modifizierung der Gate-Treiber-Spannung des Schalttransistors ist eine unkomplizierte Möglichkeit, um elektromagnetische Störungen zu reduzieren. Dafür ist eine parallele Messung der Gate-Treiber-Spannung, des Ausgangssignals und der emittierten Strahlung sowie deren Spektrum erforderlich.

In der Abbildung unten werden zahlreiche Treiber-Signale einer MOSFET-Brücke und deren Auswirkungen auf die emittierte Strahlung analysiert. In (1) wurde ein Rechteck-Gate-Treiber-Signal angelegt, während in (2) ein kaskadiertes Rechteck-Gate-Treiber-Signal mit zwei Pegeln zum Einsatz kam (grün). Die parallele Überwachung der elektromagnetischen Störemissionen mit einer Nahfeldsonde zeigt klar und deutlich, dass dieses Verfahren effektiv ist: die Amplitude der Hochfrequenzkomponenten im EMI-Signal (rot) wird wirksam reduziert.

Weitere Optimierungsschritte

Um die optimale Gate-Treiber-Spannung zu bestimmen, müssen zusätzliche Parameter analysiert werden. Schaltverluste sind ein wichtiges Kriterium und können möglicherweise mit geänderten Gate-Treiber-Signalen zunehmen. Zur Messung von Schaltverlusten sind Stromzangen und differenzielle Hochspannungstastköpfe notwendig. Dabei sind deren maximale Spannung und Stromstärke sowie ihre Bandbreite entscheidend. Strom- und Spannungssignale müssen einer Laufzeitkorrektur unterzogen werden, um Messfehler beim Schaltverlust zu vermeiden:

  • Die R&S®RT-ZHD differenziellen Hochspannungstastköpfe eignen sich ideal für schnell schaltende Halbleiter. Sie unterstützen bis zu 200 MHz Bandbreite und maximale Messspannungen zwischen 750 V und 6 kV, gepaart mit einem hohen Gleichtakt-Unterdrückungsverhältnis.
  • Die R&S®RT-ZC Stromzangen ermöglichen Strommessungen zwischen 5 A (eff.) mit einer Bandbreite von 2 MHz und 500 A (eff.) mit einer Bandbreite von 120 MHz.
  • Die R&S®RT-ZF20 Kalibrationseinheit zur Strom-/Spannungslaufzeitkorrektur kompensiert die unterschiedlichen Laufzeiten zwischen Strom- und Spannungstastköpfen. Für eine exakte Messung des Schaltverlusts ist dies unabdingbar.

Fazit

Die schnelle und flexible FFT-Funktion der Rohde & Schwarz-Oszilloskope unterstützt detaillierte Funkstörmessungen für Leistungselektronik bereits in der Entwicklungsphase von modernen Elektronikgeräten. In Kombination mit Nahfeldsonden und differenziellen Hochspannungstastköpfen oder Stromzangen ist eine vollständige Optimierung von Leistungselektronikschaltungen ohne zusätzliche Messwerkzeuge möglich. Dadurch wird die Entwicklung von Leistungselektronik während der Entwicklungsphase der Geräte beschleunigt und ein erfolgreiches Absolvieren der EMV-Qualifikationsprüfungen erleichtert.