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I semiconduttori a banda larga come carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN) eccellono non solo nella resistenza alle alte temperature e alte tensioni, ma vantano anche bassissime perdite e frequenze di commutazione elevate. Tuttavia, per sfruttare davvero il potenziale di questi materiali avanzati, sono fondamentali tecniche di misura e test estremamente precise. In particolare, nel Double Pulse Test, le sonde otticamente isolate non solo assicurano la sicurezza del processo di misura, ma migliorano anche l’accuratezza e l’affidabilità dei risultati. In questo articolo vediamo perché la sonda isolata otticamente è davvero indispensabile nel double pulse testing.
Il Double Pulse Test (DPT) è un metodo sperimentale usato per valutare le performance di commutazione di dispositivi elettronici di potenza come IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) o MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). Il test prevede l’applicazione di due brevi impulsi di tensione al componente, simulandone il comportamento di commutazione reale in circuito. Serve per misurare e analizzare le caratteristiche di switch del dispositivo, ottimizzare la guida e il design applicativo, e per la diagnosi dei guasti o la validazione di modelli di simulazione.
Prendendo ad esempio il driver half-bridge per MOSFET, occorre misurare Vds, Id e Vgs del MOSFET inferiore e osservare anche il Vgs di quello superiore. La serie Micsig MHO di oscilloscopi ad alta risoluzione (banda fino a 500MHz, campionamento 3GSa/s, accuratezza ≤1%, osservazione simultanea a 4 canali) soddisfa perfettamente i requisiti per il Double Pulse Test.
Per misurare accuratamente la forma d’onda Id, è fondamentale che la sonda di corrente abbia sufficiente banda passante. La serie CP di sonde di corrente AC/DC Micsig arriva fino a 100MHz, accuratezza entro l’1%, risoluzione fino a 1mA e misura fino a 30A. Per valori ancora maggiori si possono usare le sonde Rogowski RCP.
Tuttavia, molti utenti si chiedono: "Abbiamo le sonde differenziali DP di Micsig, ottime sui dispositivi al silicio, con tensioni fino a 7000V e banda 500MHz. Ora, passando a GaN e SiC, teoricamente dovrebbero andare bene anche su questi. E infatti funzionano sui MOSFET inferiori. Ma perché ci sono sempre problemi misurando la tensione sul MOSFET superiore?"
Analizzando questi dati, vediamo che gli switch SiC e GaN raggiungono velocità di commutazione nell’ordine del nanosecondo. Questo riduce le perdite nei convertitori ma è una sfida enorme per le misure: nel circuito half-bridge, il Vgs del MOSFET superiore “galleggia” tra accensione e spegnimento del Vds che può cambiare da zero a migliaia di volt in pochi nanosecondi. La combinazione di alta tensione e alta frequenza genera importanti armoniche di ordine elevato. Il segnale differenziale Vgs è spesso decine di volt, ma subisce fortemente l’interferenza di modo comune delle armoniche del Vds. Serve sopprimere il più possibile questa interferenza, e solo strumenti con alto CMRR anche alle alte frequenze possono riuscirci.
Prendendo come riferimento la serie DP: a 100kHz il CMRR è >-70 dB; a 20MHz >-40 dB; a 120MHz >-26 dB. Sono valori ottimi per le sonde differenziali, ma ancora lontani dal necessario per misurare in alta frequenza il Vgs del MOSFET superiore: serve una sonda che mantenga CMRR elevatissimo anche su queste frequenze.
Per capire l’effetto del CMRR nella misura, confrontiamo il comportamento delle sonde differenziali ad alta tensione con le sonde otticamente isolate, osservando i problemi che emergono nelle misurazioni.
Metodo: si testa uno switch SiC a circa 500V Vce usando in parallelo una sonda differenziale ad alta tensione (Micsig DP) e una sonda isolata otticamente (Micsig SigOFIT) collegate entrambe al Vge superiore.
Si nota come il segnale bianco (sonda differenziale) presenti gravi oscillazioni sul fronte di salita del Vge, tanto da rendere impossibile distinguere la vera forma d’onda. In passato, testando la Vge superiore con sonda differenziale su un dispositivo con Vce 800V, le oscillazioni superavano la tensione di cut-off, penalizzando la valutazione dell’ingegnere.
Il segnale rosso (sonda isolata otticamente) mostra invece pochissima interferenza. Se si usa lasonda isolata otticamente da sola il disturbo si annulla quasi completamente. Il disturbo residuo nel grafico, infatti, proviene proprio dall’accoppiamento della sonda differenziale. Le sonde ottiche hanno un rumore di base minore, maggiore accuratezza, e sopportano tensioni di modo comune più elevate. Come ci riescono?
La tecnologia esclusiva SigOFIT™ di Micsig permette di selezionare l’attenuatore ottimale per il segnale da misurare, così da coprire dal ±0,01V fino a ±6250V in modo scalare. L’adattamento automatico migliora la precisione del test (fino a 1%), abbassa il rumore di fondo e aumenta il rapporto segnale/rumore.
Con una banda fino a 1GHz, il rumore della sonda SigOFIT resta entro 0,45mVrms. Anche in questa banda, il CMRR rimane superiore ai 100dB. Usando la sonda isolata otticamente per misurare il Vgs superiore, si può quindi ignorare l’interferenza di modo comune e risolvere il limite delle sonde differenziali ad alta tensione.
Inoltre, la lunghezza dei cavi delle sonde differenziali (circa 20cm) le rende simili ad antenne, sensibili al campo magnetico esterno. In dispositivi GaN molto veloci, i campi generati possono indurre oscillazioni in ingresso alle sonde differenziali, superando i limiti e causando anche la rottura istantanea del dispositivo. Le sonde ottiche SigOFIT, invece, usano connessioni MCX/MMCX cortissime, minimizzando l’effetto antenna: la capacità parassita resta sotto pochi pF, eliminando i rischi di sicurezza legati agli effetti parassiti.
In sintesi, le sonde otticamente isolate hanno superato le sonde differenziali sotto tutti gli aspetti. Per chi deve affrontare double pulse testing, la scelta migliore è la sonda Micsig otticamente isolata.
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