Ottimizzazione dei componenti a semiconduttore ad elevata banda proibita (wide-bandgap) per rispettare i vincoli di compatibilità elettromagnetica

La conformità alle normative EMI (interferenze elettromagnetiche) sta diventando una preoccupazione sempre più importante per chi si occupa di elettronica di potenza avanzata, a causa del progressivo aumento delle velocità di commutazione. Le misure correlate nel dominio del tempo e della frequenza aiutano a ottimizzare i circuiti di pilotaggio del gate e a ridurre al minimo le emissioni elettromagnetiche già durante la fase di sviluppo.

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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, ma rendono più difficile rispettare le normative sulle interferenze elettromagnetiche. 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.

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La trasformata FFT con gate temporale aiuta a determinare quali segmenti del segnale nel dominio del tempo siano correlati a determinati eventi nello spettro.
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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®RTO2000 è essenziale. Questa funzione limita l’analisi dello spettro a una regione definita dall’utente del segnale catturato nel dominio temporale.

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

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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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 rappresenta una possibilità di intervento immediato per la riduzione delle interferenze elettromagnetiche. Ciò richiede di eseguire in parallelo 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 (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 questo è un metodo efficace: l’ampiezza dei componenti ad alta frequenza nel segnale EMI (rosso) si è notevolmente ridotta.

Ulteriori passaggi di ottimizzazione

Per determinare la tensione di pilotaggio ottimale del gate devono essere analizzati ulteriori parametri. Le perdite di commutazione è un criterio importante e potrebbe 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 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) e 500 A (RMS) con una larghezza di banda compresa tra 120 MHz e 2 MHz.
  • La funzione di allineamento (deskew) di potenza R&S®RT-ZF20 e gli accessori per la calibrazione permettono di compensare il diverso ritardo introdotto dalle 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 sulle interferenze elettromagnetiche nei circuiti di potenza sin dalle prime fasi di sviluppo di un sistema elettronico avanzato. In combinazione con le sonde in campo vicino e con le sonde di corrente e di alta tensione differenziali, permette di ottimizzare il comportamento dei circuiti elettronici di potenza senza la necessità di utilizzare ulteriori strumenti di test. Ciò permette di velocizzare lo sviluppo dei sistemi elettronici di potenza durante l'evoluzione del progetto aiutando a superare con successo le prove finali sulla compatibilità elettromagnetica effettuate in una camera schermata.