Оптимизация полупроводниковых переключателей с широкой запрещенной зоной для соответствия по ЭМП

Соответствие по ЭМП является главной проблемой для передовой силовой электроники из-за возрастания скоростей переключения. Измерения с корреляцией времени и частоты помогают оптимизировать управление затвором и минимизировать электромагнитное излучение уже во время разработки.

EMI-compliance-oscilloscopes-probing-solutions-enable-EMI-testing_49308_01_01.jpg

Задача

Использование материалов с широкой запрещенной зоной, таких как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), обеспечивает высокие частоты переключения и резко нарастающие фронты, а также высокие напряжения. Эти характеристики повышают эффективность переключения источников питания и затрудняют получение соответствия по ЭМП. Соблюдение принципов проектирования для уменьшения ЭМП столь же важно, как и тестирование и оптимизация для соответствия по ЭМП на фазе разработки.

Решение от компании Rohde & Schwarz

Осциллографы — высокоэффективные инструменты, применяемые инженерами-электриками в выполнении ежедневных задач. Чувствительность и производительность современных осциллографов обеспечивают возможность выполнения задач по оптимизации ЭМП на фазе разработки нового продукта. Полезными функциями осциллографов от компании Rohde & Schwarz являются прямой ввод полосы разрешения и частоты, а также поддержание высокой частоты дискретизации . В применении с компактным комплектом пробников для измерения электрического и магнитного поля в ближней зоне R&S®HZ-15, а также компактным комплектом пробников для измерения магнитного поля в ближней зоне R&S®HZ-17 (оба с полосой пропускания 3 ГГц), осциллограф легко определяет источник и тракт передачи нежелательных излучений на печатной плате.

optimizing-wide-bandgap_ac_5216-3208-92_02.jpg
Оконная функция БПФ помогает определять, какие сегменты сигнала временной области с какими событиями в спектре коррелируются.
Открытый Lightbox

Применение

Оконная функция БПФ для анализа с корреляцией времени и частоты

Для расширенного анализа, например, корреляции между сигналами во временной и частотной областях, важное значение имеет оконная функция БПФ для осциллографов R&S®RTE1000 и R&S®RTO2000. Эта функция ограничивает анализ спектра определенным пользователем участком захваченного сигнала временной области.

В результате избыточные спектральные излучения могут коррелироваться с выделенными временными периодами непрерывного сигнала. Во время испытаний на ЭМП это не только помогает идентифицировать источник нежелательных электромагнитных излучений по сигналам временной области, но также обеспечивает возможность проведения прямых испытаний в различных сценариях эксплуатации.

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
Открытый Lightbox

Оптимизация напряжений управления затвором применительно к излучению ЭМП

Одним из источников излучений ЭМП в цепях силовой электроники является мост MOSFET с малым временем переключения. Простой способ снизить ЭМП — изменить напряжение управления затвором для переключающих транзисторов. Это требует параллельного измерения напряжения управления затвором, выходного сигнала и испускаемого излучения, а также их спектра.

На приведенном ниже рисунке показаны различные задающие сигналы моста MOSFET и анализируется их влияние на испускаемое излучение. В случае (1) был применен прямоугольный сигнал управления затвором, тогда как в случае (2) использовался каскадный двухуровневый прямоугольный сигнал управления затвором (зеленого цвета). Параллельный мониторинг излучения ЭМП с помощью пробника ближнего поля отчетливо показывает, что этот метод эффективен: амплитуда высокочастотных составляющих сигнала ЭМП (красного цвета) значительно снижается.

Дальнейшие действия по оптимизации

Для определения оптимального напряжения управления затвором должны анализироваться дополнительные параметры. Важный показатель — потери при переключении, которые могут увеличиваться при изменении сигналов управления затвором. Для измерений потерь при переключении необходимы токовые пробники и высоковольтные дифференциальные пробники с необходимыми характеристиками, важнейшими являются максимальные значения напряжения и тока и характеристики полосы пропускания. Искажения сигналов тока и напряжения должны быть устранены во избежание ошибок измерений потерь при переключении:

  • Высоковольтные дифференциальные пробники R&S®RT-ZHD идеально подходят для полупроводников с малым временем переключения. Они поддерживают полосу пропускания до 200 МГц и максимальные измеряемые напряжения от 750 В до 6 кВ в сочетании с высокой степенью степени подавления синфазного сигнала.
  • Токовые пробники R&S®RT-ZC позволяют измерять ток в диапазоне от 5 А (СКЗ) до 500 В (СКЗ) с полосой пропускания между 120 МГц и 2 МГц.
  • Такие испытательные приспособления для устранения искажений питания и калибровки, как R&S®RT-ZF20, компенсируют дифференциальную задержку между пробниками тока и напряжения. Необходимо точно измерить потери при переключении.

Заключение

Быстродействующая и гибкая функция БПФ осциллографов от компании Rohde & Schwarz поддерживает детальные испытания на ЭМП для силовой электроники уже на фазе разработки современных электронных устройств. При применении с пробниками ближнего поля и высоковольтными дифференциальными или токовыми пробниками возможно полностью оптимизировать цепи силовой электроники без использования дополнительных инструментов тестирования. Это ускоряет разработку силовой электроники на этапе разработки устройств и помогает успешно проходить тестирование квалификации ЭМП.