Осциллографы и пробники для измерения параметров полупроводниковых приборов на основе карбида кремния

Высокопроизводительное и эффективное преобразование энергии в электромобилях может быть достигнуто только при высоком напряжении аккумуляторной батареи и использовании самых современных силовых полупроводниковых приборов. В документе «Классы напряжений для электромобилей», опубликованном в 2013 году Ассоциацией немецких производителей электрического и электронного оборудования (ZVEI), указано значение 400 В для легковых автомобилей и до 800 В для спортивных автомобилей. Сегодня автопроизводители обсуждают напряжение аккумуляторной батареи до 1000 В.

Необходимость широкой полосы пропускания и дифференциальных измерений

Полупроводники на основе карбида кремния имеют значительные преимущества для применения в этой области: исключительно высокое напряжение пробоя, очень короткое время переключения и, следовательно, низкие потери при переключении. Для анализа и оптимизации циклов переключения требуются широкие полосы измерения вплоть до 200 МГц.

Чтобы оптимизировать операции переключения, необходимо измерять напряжения затвор – исток и сток – исток силовых транзисторов – как на транзисторе нижнего плеча, так и на транзисторе верхнего плеча. Для этой задачи компания Rohde & Schwarz предлагает высоковольтные дифференциальные пробники семейства R&S RT-ZHD (см. рис. 1). Эти пробники позволяют проводить измерения без заземления по нескольким измерительным каналам и обеспечивают высокий коэффициент подавления синфазного сигнала.

К другим преимуществам этого семейства пробников относится высокое напряжение смещения постоянного тока до 2000 В, которое может быть настроено независимо от коэффициента ослабления пробника и вертикального масштаба на осциллографе. Эта возможность позволяет обнаруживать и измерять даже очень небольшие пульсации высокого постоянного напряжения аккумуляторной батареи. В пробники также встроен высокоточный вольтметр постоянного тока, который позволяет проводить измерения с погрешностью 0,1%, что выше базовой погрешности пробников, составляющей 0,5%. Высоковольтные пробники идеальным образом подходят для измерений с помощью новых осциллографов R&S RTM3000 и R&S RTA4000, а также осциллографов R&S RTE1000 и R&S RTO2000 от компании Rohde & Schwarz.

Анализ однократных событий

В области силовой электроники часто возникает необходимость анализа однократных событий. Это можно сделать только при наличии большого объёма памяти и эффективных функций анализа. Осциллографы R&S RTE и R&S RTO имеют специальную функцию отслеживания (построения трека), которая отображает измеренные значения автоматических измерительных функций в течение всего времени сбора данных. Эта функция особенно полезна для измерений длительности импульсов и частоты, например с целью анализа и детального отображения переходной характеристики преобразователя напряжения.

На рисунке 2 отображена характеристика включения резонансного преобразователя. Сверху показаны выходное напряжение (зелёная кривая) и ток (оранжевая кривая). Фиолетовая кривая в середине отслеживает частоту переключения резонансного преобразователя. Нижние диаграммы (жёлтые кривые) показывают напряжение на выходном коммутирующем каскаде и его увеличенное изображение во временно¢й области, демонстрирующее процесс установления контура управления, ещё не перешедшего в непрерывный режим работы.

Анализ проблем электромагнитной совместимости

Соответствие требованиям по ЭМС является важной проблемой при использовании силовых полупроводниковых приборов с большой скоростью переключения. Плохая разводка цепей или неправильное заземление радиаторов может вызвать значительный выброс электромагнитных помех (ЭМП) [1].

В процессе отладки крайне важно локализовать в схеме точное место возникновения недопустимо высоких выбросов ЭМП. Для этой цели идеально подходят пробники ближнего поля, такие как R&S HZ-15.

Современные осциллографы обладают достаточной чувствительностью и малым уровнем шума для проведения измерений с помощью пробников ближнего поля (см. рис. 3). Осциллографы R&S RTE1000 и R&S RTO2000 также позволяют осуществлять корреляцию выбросов ЭМП во времени и быстрее выявлять их первопричины.

Мобильные измерения с помощью гальванически изолированного портативного осциллографа

При проведении мобильных измерений часто невозможно использовать лабораторный осциллограф, поскольку доступ к источнику питания 220 В отсутствует. Для таких задач идеально подходят портативные осциллографы с изолированными входными каналами: они позволяют выполнять измерения плавающего потенциала без дорогостоящих дифференциальных пробников.

Портативный осциллограф R&S RTH Scope Rider (см. рис. 4) позволяет измерять напряжения с максимальной разностью потенциалов 1000 В (СКЗ) в категории CAT III или 600 В (СКЗ) в категории CAT IV. Обладая полосой пропускания до 500 МГц, прибор может измерять даже очень быстрые операции переключения. В набор его функций анализа входят регистрация данных, анализ спектра, анализ гармоник и 8-битный логический интерфейс (см. рис. 5). Портативный осциллограф способен декодировать цифровые последовательные протоколы, такие как I²C/SPI, UART, CAN/LIN, CAN-FD и SENT, что делает его идеальным инструментом для комплексной отладки во время обслуживания. Также R&S Scope Rider может быть использован как эффективный и экономически выгодный лабораторный прибор.

Заключение

Разработка мощных и эффективных систем привода для электромобилей ставит новые задачи для контрольно-измерительного оборудования. Использование новых силовых полупроводниковых приборов на основе карбида кремния требует проведения широкополосных измерений в высоковольтных системах. Короткие фронты сигналов коммутации также создают проблемы с соблюдением стандартов ЭМС. Кроме того, требуются эффективные функции для анализа управляющих характеристик импульсных преобразователей. Компания Rohde & Schwarz предлагает широкий ассортимент оборудования для решения этих задач: высоковольтные дифференциальные пробники с полосой пропускания до 200 МГц, лабораторные осциллографы с большой глубиной памяти и эффективными функциями анализа, а также портативные осциллографы с изолированными входами для измерений в полевых условиях.

Литература

1. Deutschmann B., Winkler G., Auinger B. Storemission von Leistungselektronik. 15th EMV-Fachtagung, TU Graz, 2017.