EMI 규정 준수를 위해 wide-bandgap 반도체 스위치 최적화

스위칭 속도가 빨라짐에 따라 고급 전자기기의 EMI 규정 준수가 중요한 문제로 다루어 지고 있습니다. 시간-주파수의 상관관계 측정을 통해 게이트 구동을 최적화하고 개발 단계에서 전자기 방출을 최소화할 수 있습니다.

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목표

SiC(Silicon Carbide, 실리콘 카바이드), GaN(Gallium Nitride, 갈륨 나이트라이드) 등의 wide-bandgap 재료는 높은 스위칭 주파수, 가파른 상승단 및 높은 전압을 구현합니다. 이러한 특성은 스위칭 전원공급장치의 효율성을 높이고 EMI 규정에 더욱 효과적으로 대응할 수 있도록 해줍니다. 감소된 EMI 설계 지침을 고려하는 것은 개발 단계에서 EMI 규정의 테스트 및 최적화만큼 중요합니다.

로데슈바르즈 솔루션

오실로스코프는 엔지니어의 일상적 작업을 지원하는 강력한 도구입니다. 오늘날 오실로스코프의 감도와 성능은 신제품 설계 단계에서 EMI 최적화 작업이 가능하도록 만듭니다. 직접 입력할 수 있는 주파수 및 분해능 대역폭과 빠른 업데이트 속도는 로데슈바르즈 오실로스코프의 유용한 기능입니다. E 및 H Near-field 측정을 위한 R&S®HZ-15 Compact Probe Set와 R&S®HZ-17 Compact H Near-field Probe Set(모두 3 GHz 대역폭)를 결합할 경우 PCB에서 불요 방출의 소스와 전송 경로를 쉽게 찾을 수 있습니다.

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Gated FFT는 시간 도메인 신호 중 어느 세그먼트가 스펙트럼의 어떤 이벤트와 상관관계가 있는가를 판단하는 데 이용할 수 있습니다.
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적용 사례

시간-주파수 상관관계 분석을 위한 Gated FFT

시간과 주파수 도메인 신호간 상관관계와 같은 고급 분석의 경우에는 R&S®RTE1000 및 R&S®RTO2000 오실로스코프의 Gated FFT 기능이 반드시 필요합니다. 이 기능은 스펙트럼 분석을 캡처된 시간-도메인 신호의 사용자 정의 영역으로 제한할 수 있습니다.

따라서 과도한 스펙트럼 방사는 연속적 신호의 점유 시간과 상관관계가 있을 수 있습니다. 이를 통해 EMI 테스트 중 시간 도메인 신호에서 불요 전자기 방사의 소스를 식별할 수 있을 뿐만 아니라 다른 운영 시나리오를 직접 테스트할 수도 있습니다.

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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EMI 방사 관련 게이트 구동 전압 최적화

전자기기 회로에서 EMI 방사의 한 소스가 빠르게 스위칭되는 MOSFET 브릿지입니다. 스위칭 트랜지스터의 게이터 구동 전압을 변경하면 EMI를 간단히 감소할 수 있습니다. 그러려면 게이트 구동 전압, 출력 신호, 방사 및 해당 스펙트럼을 동시에 측정해야 합니다.

아래 그림에서 MOSFET 브릿지의 다양한 구동 신호와 해당 신호가 방출된 방사에 미치는 영향이 분석되어 있습니다. (1)에서 직사각형 게이트 구동 신호가 적용된 반면 (2)에서는 계단식 2단계 직사각형 게이트 구동 신호가 사용되었습니다(녹색). Near-field 프로브를 사용하여 EMI 방출을 동시 모니터링한 결과 이 방법이 효과적인 것으로 나타났습니다. EMI 신호(빨간색)에서 고주파수 구성요소의 진폭이 효과적으로 감소되었습니다.

추가 최적화 단계

최적의 게이트 구동 단계를 판단하려면 추가 매개변수를 분석해야 합니다. 스위칭 손실은 중요 기준이며, 게이트 구동 신호의 변화에 따라 증가할 수 있습니다. 스위칭 손실을 측정하려면 전류 프로브와 고전압 차동 프로브가 필요하며, 최대 전압 및 전류와 해당 대역폭이 중요합니다. 스위칭 손실의 측정 오류를 방지하려면 전류 및 전압 신호의 Deskew가 필요합니다.

  • 빠르게 스위칭되는 반도체에는 R&S®RT-ZHD High-Voltage Differential Probe가 적합합니다. 이 프로브는 200 MHz 대역폭과 750 V ~ 6 kV의 최대 측정 가능 전압 및 높은 공통 모드 거부율을 지원합니다.
  • R&S®RT-ZC Current Probe는 120 MHz ~ 2 MHz 대역폭에서 5 A (RMS) ~ 500 V (RMS)의 전류를 측정할 수 있습니다.
  • R&S®RT-ZF20 Power Deskew and Calibration Test Fixture는 전류와 전압 프로브 사이의 다른 지연을 보상합니다. 이는 스위칭 손실을 정확히 측정하는 데 반드시 필요합니다.

요약

로데슈바르즈 오실로스코프의 빠르고 유연한 FFT 기능은 이미 개발 단계에 있는 첨단 전자기기에 대해 자세한 EMI 테스트를 수행하는 데 이용할 수 있습니다. Near-field 프로브 및 고전압 차동 또는 전류 프로브와 결합할 경우 추가 테스트 도구 없이도 파워 전자 회로의 최대 최적화가 가능합니다. 이 경우 기기 설계 단계에서 전자기기를 더욱 빠르게 개발하고 EMC 적합성 테스트 요구사항을 만족할 수 있습니다.