Optimización de conmutadores de semiconductores de banda ancha prohibida para cumplir los requisitos de EMI

El cumplimiento de los requisitos relativos a las interferencias electromagnéticas (EMI) adquiere cada vez mayor importancia en la electrónica de potencia avanzada como consecuencia de las crecientes velocidades de conmutación. Las medidas correlacionadas de tiempo-frecuencia ayudan, ya durante la fase de desarrollo, a optimizar la excitación de puertas y a reducir al mínimo las emisiones electromagnéticas.

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Su misión

La utilización de materiales de banda prohibida ancha, como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN) permite alcanzar altas frecuencias de conmutación y flancos de subida muy pendientes, así como altas tensiones. Estas características mejoran la eficiencia de las fuentes de alimentación para la conmutación, pero suponen un reto a la hora de cumplir los requisitos de EMI. La consideración de pautas de diseño orientadas reducir las interferencias electromagnéticas es tan importante como la verificación y optimización de cara a la conformidad EMI en la fase de desarrollo.

Solución Rohde & Schwarz

Los osciloscopios son eficaces herramientas de gran utilidad para el trabajo cotidiano de los ingenieros electrotécnicos. La sensibilidad y el rendimiento de los osciloscopios actuales permiten ejecutar tareas de optimización EMI durante la fase de diseño de un producto nuevo. Los osciloscopios de Rohde & Schwarz ofrecen funciones muy prácticas como la entrada directa de frecuencia y ancho de banda de resolución, así como una alta frecuencia de actualización. En combinación con el kit compacto de sondas R&S®HZ-15 para exploraciones de campo cercano E y H y el kit compacto de sondas de campo cercano H R&S®HZ-17 (ambos con ancho de banda de 3 GHz), es posible localizar con gran facilidad la fuente y el camino de transmisión de emisiones no deseadas en una tarjeta impresa.

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La función de FFT cerrada ayuda a determinar qué segmentos de la señal en el dominio temporal están correlacionados con qué eventos en el espectro.
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Aplicación

FFT cerrada para análisis de tiempo-frecuencia correlacionados

Para realizar análisis avanzados, p. ej. de la correlación entre señales del dominio frecuencial y temporal, el conjunto de funciones de FFT cerrada de los osciloscopios R&S®RTE1000 y R&S®RTO2000 es fundamental. Esta función restringe el análisis de espectro a una región definida por el usuario de la señal adquirida en el dominio temporal.

De este modo es posible correlacionar emisiones de espectro excesivas en una señal continua con periodos de tiempo específicos. En el marco de los ensayos de EMI, esto no solo ayuda a identificar la fuente de emisiones electromagnéticas no deseadas en señales en el dominio temporal, sino que permite probar directamente escenarios de operación diferentes.

Optimizing wide bandgap
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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Optimización de tensiones de excitación de puertas con respecto a las emisiones EMI

Una fuente de emisiones EMI en los circuitos de electrónica de potencia es el puente de conmutación rápida MOSFET. Una posibilidad sencilla parar reducir las interferencias electromagnéticas consiste en modificar la tensión de excitación de puerta de los transistores de conmutación. Para ello es necesario medir en paralelo la tensión de excitación de la puerta, la señal de salida y la radiación emitida, además de su espectro.

En la figura de abajo se muestra un análisis de varias señales de excitación de un puente MOSFET y su efecto en las emisiones radiadas. En (1) se ha tomado una señal de excitación de puerta rectangular, mientras que en (2) se utiliza una señal de excitación de puerta rectangular en cascada de dos niveles (en verde). La monitorización en paralelo de la emisión EMI con una sonda de campo cercano muestra claramente la eficacia de este método: la amplitud de los componentes de alta frecuencia de la señal EMI (en rojo) se reduce de forma efectiva.

Otros pasos hacia la optimización

Para determinar la tensión de excitación de puerta óptima es necesario analizar otros parámetros. La pérdida por conmutación es un importante criterio y puede aumentar con el cambio de señales de excitación de puertas. Para medir la pérdida por conmutación se requieren sondas de corriente y sondas diferenciales de alta tensión, siendo además decisivas su tensión y corriente máximas, así como su ancho de banda. Las señales de corriente y tensión deben someterse a una compensación de sesgo (skew) para evitar errores de medida de la pérdida por conmutación:

  • Las sondas diferenciales de alta tensión R&S®RT-ZHD son la solución ideal para semiconductores de conmutación rápida. Admiten un ancho de banda de hasta 200 MHz y tensiones máximas de medida entre 750 V y 6 kV, en combinación con un alto factor de rechazo de modo común.
  • Las sondas de corriente R&S®RT-ZC permiten medir corrientes entre 5 A (valor eficaz) y 500 V (valor eficaz) con un ancho de banda entre 120 MHz y 2 MHz.
  • Los accesorios de compensación de sesgo y calibración R&S®RT-ZF20 compensan los distintos retardos entre las sondas de corriente y de tensión. Esto es esencial para medir con exactitud la pérdida por conmutación.

Sumario

La función de FFT rápida y flexible de los osciloscopios de Rohde & Schwarz permite ejecutar pruebas exhaustivas de EMI de electrónica de potencia ya en la fase de desarrollo de dispositivos electrónicos avanzados. En combinación con sondas de campo cercano y sondas diferenciales o de corriente de alta tensión es posible una optimización integral de circuitos electrónicos de potencia sin necesidad de emplear otras herramientas de medida. Esto acelera el desarrollo de productos de electrónica de potencia en la fase de diseño del dispositivo y contribuye a superar los ensayos de conformidad de compatibilidad electromagnética.