Strommessung in der Leistungselektronik 1-GHz-Strommessung ohne Gleichtaktstörungen

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Tektronix GmbH

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dataTec AG

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Wide-Bandgap-Anwendungen fordern die Messtechnik heraus. Isolierte Stromsonden von Tektronix nutzen HF-Modulation, um Schaltverluste in SiC- und GaN-Designs mit einer bisher nicht erreichbaren Präzision zu analysieren.

Die Entwicklung effizienter Leistungselektronik auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) ist vergleichbar mit einem messtechnischen Blindflug. Die sehr steilen Schaltflanken erzeugen Gleichtaktstörungen, die sogenannten Common Mode, die herkömmliche Sonden überlagern. Tektronix überträgt mit den IsoVu-Stromsonden der TICP-Serie (Modelle TICP100, TICP050, TICP025) das bewährte Prinzip der galvanischen HF-Isolation auf die Strommessung via Shunt.

Bandbreite und Signaltreue im Gigahertz-Bereich

Für Entwickler ist die Bandbreite das entscheidende Kriterium, um Einschwingvorgänge (Ringing) präzise zu bewerten. Das Modell TICP100 bietet eine Bandbreite von 1 GHz bei einer Anstiegszeit von 400 ps. Um diese Dynamik ausnutzen zu können, ist eine sehr hohe Gleichtaktunterdrückung (CMRR) erforderlich. Das Messsystem erreicht Spitzenwerte von bis zu 90 dB bei einer Frequenz von 1 MHz, was sicherstellt, dass die schnellen Spannungsflanken (dV/dt) der Leistungshalbleiter das Strommesssignal nicht verfälschen.

Präzision von Mikroampere bis Hunderten Ampere

Für Messtechniker interessant sind die Rauschperformance und der Dynamikbereich. Mit einer Rauschleistungsdichte von weniger als 4,7 nV/√Hz (was einem RMS-Rauschen von <150 µV bei 1 GHz entspricht) eignet sich die Sonde für:

• Low-Power-Designs: Messung von Standby-Strömen im µA-Bereich (z.B. bei PMICs).

• High-Power-Systeme: In Verbindung mit externen Shunts können Ströme bis in den Bereich von mehreren Hundert Ampere charakterisiert werden.

Die DC-Verstärkungsgenauigkeit liegt dabei bei präzisen ±1,5 Prozent.

Sicherheit und Isolation in Hochvolt-Umgebungen

Besonders bei Messungen an der High-Side oder in schwebenden Potenzialen ist die Isolationsspannung der kritische Faktor. Die TICP-Serie ist für eine maximale Gleichtaktspannung von 1.800 V ausgelegt (Pollution Degree 1) und hält Transienten bis zu 5 kV_{pk stand. Damit können Entwickler gefahrlos direkt an der Drain-Source-Strecke messen, ohne Erdschleifen zu riskieren, die das Oszilloskop zerstören oder das Messergebnis durch Rückwirkungen auf den Prüfling (DUT) verfälschen könnten.}

Die eigentliche Messung ist nur so gut wie die Anbindung an die Schaltung. Dazu bietet der Messtechnikspezialist Tektronix die TICS-Serie (Wideband Smart Shunts) an. Diese Shunts decken Widerstandswerte von 5 mOhm bis 5 Ohm ab und bieten eine für Shunts hohe Bandbreite von 250 MHz.

Ein wesentlicher Nutzwert für den Laboralltag ist die Plug-and-play-Integration: Über die TekVPI-Schnittstelle konfiguriert das Oszilloskop aus der MSO-Serie 4, 5 und 6 die vertikale Skalierung und die Einheiten automatisch, sobald der Shunt verbunden wird.

Einsatz unter Extrembedingungen

Für die Zuverlässigkeitstests in Klimakammern stehen optionale Extreme Temperature (ET) Tips zur Verfügung. Diese ermöglichen Messungen in einem Temperaturbereich von -40 bis 125 °C. Dank spezieller 1,8 Meter langer Glasfaserkabel bleibt die empfindliche Sonden-Elektronik außerhalb der Kammer, während der Messpunkt thermisch voll belastet werden kann.

Nahtloses Zusammenspiel im WBG-Messaufbau

Die TICP-Stromsonden sind kein isoliertes Werkzeug, sondern ergänzen das bestehende Tektronix-Portfolio für die Leistungselektronik. In typischen Halbbrücken-Designs arbeiten sie Hand in Hand mit den Hochspannungs-Differenzialtastköpfen der THDP-Serie (wie dem THDP0400).

Während die THDP-Sonden den hohen Drain-Source-Spannungen (V_DS} erfassen, liefern die TICP-Sonden zeitgleich die hochfrequenten Stromdaten (I_D) über den Shunt. Zusammen mit den optisch isolierten TIVP-Tastköpfen (IsoVu-Spannungsmessung) für die Gate-Signale (V_GS) entsteht so ein vollständig isoliertes Mess-Setup. Erst dieses Zusammenspiel ermöglicht es Entwicklern, Schaltverluste und die Effizienz von Invertern unter realen Hochvolt-Bedingungen ohne Rückwirkungen durch Erdschleifen zu berechnen.

Die Kombination aus Gigahertz-Bandbreite, hoher Isolationsspannung und der automatisierten Shunt-Erkennung adressiert die drängendsten Probleme bei der Validierung moderner Wide-Bandgap-Designs. Entwickler erhalten erstmals ein Werkzeug, das schnell genug ist, um die reale Dynamik von GaN- und SiC-Transienten ohne artefaktbehaftete Messfehler darzustellen. (heh)

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