Ottimizzazione dei componenti a semiconduttore ad elevata banda proibita (wide-bandgap) per la compatibilità elettromagnetica

Attività da eseguire

L’utilizzo di materiali semiconduttori con elevata banda proibita (wide-bandgap), quali il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), consente di utilizzare efficacemente frequenze di commutazione molto elevate e fronti molto ripidi, nonché tensioni elevate. Queste caratteristiche migliorano l’efficienza della commutazione degli alimentatori e rendono la compatibilità elettromagnetica più impegnativa. Per ottenere la conformità alle norme EMI, il seguire le corrette linee guida progettuali per la riduzione delle interferenze è tanto importante quanto effettuare prove accurate per ottimizzare il progetto sin dalla fase di sviluppo.

Soluzione Rohde & Schwarz

Gli oscilloscopi sono strumenti potenti che supportano le attività quotidiane dei progettisti elettronici. La sensibilità e le prestazioni degli oscilloscopi moderni consentono di svolgere attività di ottimizzazione EMI durante la fase di sviluppo di un nuovo prodotto. La scelta diretta della frequenza centrale e della larghezza di banda di risoluzione e della frequenza, insieme all’elevata velocità di aggiornamento, sono caratteristiche degli oscilloscopi Rohde & Schwarz che si rivelano molto utili nell'identificazione delle interferenze elettromagnetiche. Con il set di sonde compatte R&S®HZ-15 per le misure in campo vicino del campo elettrico e del campo magnetico, oppure il set di sonde compatte per misure in campo vicino del campo magnetico R&S®HZ-17 (entrambi con larghezza di banda di 3 GHz), la sorgente e il percorso di trasmissione delle emissioni indesiderate su un circuito stampato possono essere localizzati facilmente.

Applicazione

FFT con gate temporale per l'analisi correlata tempo-frequenza

Per effettuare analisi avanzate, come la correlazione dei segnali nel dominio del tempo e della frequenza, la funzionalità FFT con gate degli oscilloscopi R&S®RTE1000 e R&S®RTO6 si rivela essenziale. Questa funzione limita l’analisi dello spettro a una regione definita dall’utente del segnale catturato nel dominio del tempo.

Le emissioni spettrali eccessive possono essere così correlate a particolari intervalli di tempo in un segnale continuo. Durante i test sulle interferenze elettromagnetiche, ciò non solo aiuta a identificare la sorgente di emissioni elettromagnetiche indesiderate nei segnali nel dominio del tempo, ma consente anche di effettuare le misure in diversi scenari operativi in modo molto più semplice.

Ottimizzazione delle tensioni di pilotaggio del gate relativamente alle emissioni EMI

Una sorgente di emissioni EMI nei circuiti elettronici di potenza è il ponte a MOSFET con elevata velocità di commutazione. La modifica della tensione di pilotaggio del gate dei transistor di commutazione è una modalità semplice per ridurre le interferenze elettromagnetiche. Ciò richiede l'esecuzione in parallelo di una misura della tensione di pilotaggio del gate, del segnale di uscita e della radiazione emessa, nonché del loro spettro.

Nella figura seguente sono analizzati vari segnali di pilotaggio di un ponte a MOSFET e il loro effetto sulla radiazione emessa. Nella figura (1) è stato applicato un segnale di pilotaggio del gate rettangolare, mentre nella figura (2) è stato utilizzato un segnale di pilotaggio del gate rettangolare a due livelli (verde). Il monitoraggio parallelo delle emissioni EMI con una sonda in campo vicino mostra chiaramente che il metodo scelto per ridurre le interferenze è efficace: l’ampiezza dei componenti ad alta frequenza nel segnale EMI (rosso) si è notevolmente ridotta.

L'interferenza elettromagnetica generata da un ponte a MOSFET (rosso) è stata significativamente ridotta ottimizzando la forma della tensione di pilotaggio del gate (verde). Nella figura (1) è stato utilizzato un segnale di pilotaggio del gate rettangolare, mentre nella figura (2) è stato applicato un segnale di pilotaggio modificato a due livelli. © IFE Politecnico di Graz, Austria

Ulteriori passaggi di ottimizzazione

Per determinare la tensione di pilotaggio ottimale del gate devono essere analizzati ulteriori parametri. Le perdite di commutazione rappresentano un fattore importante e potrebbero aumentare con la modifica dei segnali di pilotaggio del gate. Per effettuare le misure sulla perdita di commutazione, è necessario utilizzare sonde di corrente e sonde differenziali ad alta tensione, le cui specifiche di tensione e corrente ammessa massima, nonché la loro larghezza di banda, sono caratteristiche cruciali. I segnali di corrente e tensione devono essere allineati temporalmente per evitare errori di misura delle perdite di commutazione:

• Le sonde differenziali ad alta tensione R&S®RT-ZHD sono particolarmente adatte per effettuare misure su semiconduttori a commutazione rapida. Supportano una larghezza di banda fino a 200 MHz e tensioni misurabili massime tra 750 V e 6 kV, combinate con un elevato rapporto di reiezione di modo comune.
• Le sonde di corrente R&S®RT-ZC consentono di misurare correnti fra 5 A (RMS), con una larghezza di banda di 2 MHz, e 500 A (RMS), con una larghezza di banda di 120 MHz.
• La funzione di allineamento (deskew) di potenza R&S®RT-ZF20 e gli accessori per la calibrazione permettono di compensare il diverso ritardo tra le sonde di corrente e di tensione. L'allineamento temporale tra le misure di corrente e tensione è un requisito essenziale per misurare accuratamente le perdite di commutazione.

Riassunto

La funzione FFT rapida e flessibile, disponibile negli oscilloscopi Rohde & Schwarz, supporta l'esecuzione di test dettagliati delle interferenze elettromagnetiche nei circuiti di potenza sin dalle prime fasi dello sviluppo di un sistema elettronico avanzato. L'interfaccia utente semplificata fa sì che le impostazioni FFT vengano impostate e modificate con pochi gesti sul grande touchscreen dell'oscilloscopio R&S®RTO6. In combinazione con sonde in campo vicino e sonde di corrente o di alta tensione differenziali, è possibile ottimizzare completamente i circuiti elettronici di potenza senza dover utilizzare strumenti di test addizionali. Ciò permette di velocizzare lo sviluppo dei sistemi elettronici di potenza durante la progettazione dei dispositivi e aiuta questi ultimi a superare con successo le prove finali sulla compatibilità elettromagnetica.