Using Optically Isolated Probe Testing for High-Power DC Power Supplies

In der sich schnell entwickelnden Welt der Leistungselektronik und der Halbleiterprüfung sorgen fortschrittliche Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) für eine noch nie dagewesene Leistung in Branchen wie Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energien, industrielle Energieumwandlung, Luft- und Raumfahrt und Hochgeschwindigkeitskommunikation. Diese Wide-Bandgap-Bauteile bieten hervorragende thermische Eigenschaften und eine hohe Durchbruchspannung, schalten aber auch viel schneller als herkömmliche Siliziumbauteile, was eine große Herausforderung für die genaue Messung von Wellenformen während der Entwicklung und Fehlersuche darstellt.

Herausforderungen bei der Prüfung von Hochgeschwindigkeitsstromversorgungen

Moderne Stromversorgungsdesigns erfordern oft die präzise Messung schneller Schaltsignale wie Gate-to-Source-Spannung (Vgs) und Drain-Strom (Id). Standard-Differenzialtastköpfe haben in diesen Szenarien häufig Probleme, weil sie keine ausreichende Gleichtaktunterdrückung und nur eine begrenzte Bandbreite haben, was zu fehlerhaften oder verzerrten Messwerten führt und die Validierung erschwert.

Real-World Test Setup

Ein führender Hersteller von Stromversorgungen in Guangdong stand bei der Entwicklung eines Hochleistungs-Gleichstromnetzteils auf der Basis von SiC-MOSFETs vor genau dieser Herausforderung. Die Ingenieure beobachteten unregelmäßige Schwingungen in der Vgs-Wellenform des oberen Transistors, wenn sie herkömmliche Differenzialsonden verwendeten.

Um dieses Problem zu lösen, setzte das Prüfteam eine optisch isolierte Sondenlösung in Kombination mit einem hochauflösenden Oszilloskop und einer flexiblen Stromsonde ein. Dieser Messaufbau lieferte zuverlässige Messwerte und ermöglichte es den Ingenieuren, die Schaltvorgänge eindeutig zu beobachten und zu verstehen, ohne dass es zu Interpretationsfehlern aufgrund schlechter Isolierung oder begrenzter Bandbreite kam.

Für die Testlösung verwendete Instrumente

Optisch isolierte Prüfspitze (MOIP-Serie) - Bietet selbst bei Gigahertz-Frequenzen eine starke Isolierung und ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR).
Hochauflösendes Oszilloskop (Serie MHO3) - Bietet einen großen Speicher und hohe Abtastraten für die präzise Erfassung von Wellenformen.
Flexible Rogowski-Stromsonde (RCP-Serie) - Ermöglicht genaue Strommessungen in kompakten PCB-Umgebungen.

Die Kombination dieser leistungsstarken Instrumente gewährleistet die Signalintegrität sowohl bei Spannungs- als auch bei Strommessungen während hochfrequenter Schaltvorgänge.

Vor-Ort-Prüfeinrichtung

Die Vor-Ort-Prüfumgebung zeigt einen kompletten Messaufbau, der aus einem hochauflösenden digitalen Oszilloskop (MHO3-Serie - MHO3-5004), einem optisch isolierten Tastkopf (MOIP-Serie - MOIP1000P), einem flexiblen Rogowski-Stromtaster (RCP-Serie - RCP600XS) und dem zu prüfenden Gerät (DUT) besteht.

Das Anschlussdiagramm zeigt, wie die optische Isolationssonde MOIP1000P über ein MMCX-Koaxialkabel mit dem Vgs-Signal des oberen Schalters verbunden wird. Gleichzeitig wird die Rogowski-Spule RCP600XS verwendet, um den Drain-Strom (Id) des oberen Schalters zu messen, indem der Leiter durch die Sondenschleife direkt an die Gerätepins geführt wird.

Die Wellenformanzeige des Oszilloskops zeigt sowohl Spannungs- als auch Strommessungen gleichzeitig an. Kanal 4 (grüne Kurve) stellt die obere Schalter-Vgs-Wellenform dar, während Kanal 2 (blaue Kurve) die entsprechende obere Schalter-Id-Stromwellenform anzeigt, was eine genaue Korrelation zwischen Schaltverhalten und Stromfluss ermöglicht.

Kundenerfahrung & Feedback

Vor dem Einsatz der optisch isolierten Messtastertechnologie verließ sich das Ingenieurteam bei der Signalmessung auf herkömmliche differentielle Messtaster. Während der Tests traten während der Ein- und Ausschaltvorgänge merkliche Oszillationen in der Wellenform des oberen Schalters auf. Da das Team zuvor nur wenig Erfahrung mit optischen Isolationslösungen hatte, nahm es zunächst an, dass das Problem von der Schaltung selbst herrührte.

Infolgedessen wurde viel Zeit damit verbracht, das Schaltungslayout zu ändern, die Parameter abzustimmen und alternative Konfigurationen zu testen - doch das Problem der Oszillation blieb bestehen. Als die optische Isolationssonde als Versuchslösung eingeführt wurde, war die Verbesserung sofort sichtbar. Die erfassten Wellenformen stimmten genau mit den theoretischen Modellen und den Simulationsergebnissen überein, so dass die Ingenieure das tatsächliche Verhalten der Schaltung schnell erkennen und eine kritische F&E-Herausforderung lösen konnten.

Fazit

Micsig nutzt seine proprietäre SigOFIT™-Technologie zur optischen Isolation und bietet mit dem MOIP1000P einen optischen Isolationstastkopf an, der ein außergewöhnliches Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) von bis zu 180 dB aufweist, während er bei einer Bandbreite von 1 GHz immer noch über 100 dB CMRR bietet.

Dadurch eignet sich die Sonde hervorragend für die Prüfung von Hochgeschwindigkeits-Leistungselektronik, insbesondere für Designs, die auf SiC- und GaN-Leistungsbauelementen basieren. Ingenieure können reale obere Schalter-Vgs-Spannungswellenformen genau erfassen, was eine präzise Bewertung der Schaltleistung ermöglicht und sicherstellt, dass die Schaltungsdesigns die hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Effizienz erfüllen.

Durch die Verbesserung der Wellenformgenauigkeit und die Beseitigung messtechnisch bedingter Artefakte trägt die optische Isolationsmessung dazu bei, die Produktqualität insgesamt zu verbessern und die Entwicklungszyklen zu beschleunigen - und damit die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Leistungselektronikmarkt zu stärken. Die fortschrittlichen Messlösungen von Micsig unterstützen auch weiterhin Innovationen in der Stromversorgungs- und Halbleiterindustrie.