Modernit puolijohteet mahdollistavat aikaisemmin saavuttamattomissa olleet hyötysuhteet ja tehotiheydet. Samanaikaisesti ne asettavat tehoelektroniikan kehittämisessä käytettäville testaus- ja mittauslaitteille suurempia vaatimuksia. Kelluvilla mittauskanavilla varustetut oskilloskoopit ovat ihanteellisia mittauslaitteita, jotka tarjoavat laajan kirjon laboratoriotason oskilloskoopin analysointimahdollisuuksia.

Erittäin nopeat nousuajat ja pienet häviöt ovat SiC- ja GaN-puolijohteisiin perustuvan tehotransistorin kaksi pääasiallista etua, jotka näkyvät erityisesti korkeampana tehokkuutena ja tehotiheytenä. Samanaikaisesti tällaiset modernit puolijohteet mahdollistavat korkean kentän voimakkuuden, millä on merkitystä erityisesti suunniteltaessa suuritehoisia muuntimia. Tämä koskee erityisesti sähkökäyttöjä ja tehomuuntimia. Puolijohteille määriteltyjä jänniterajoja on kuitenkin noudatettava tarkoin rikkoutumisriskin vuoksi.

Suunnittelijat kohtaavat seuraavia haasteita:

• 10 nanosekuntia merkittävästi nopeammat kytkentäajat edellyttävät käytännössä yli 200 megahertsin mittauskaistanleveyttä. Tämä on enemmän kuin mihin tämänpäiväiset suurjänniteprobet kykenevät.
• Kytkinmuuntimien optimoimiseksi on välttämätöntä, että useampia eri potentiaalissa olevia signaaleja voidaan näyttää ja analysoida samanaikaisesti.
• Differentiaalisten signaalien mittaus erittäin suurella yhteismuotoisella komponentilla vaatii korkean yhteismuotoisen vaimennuksen. 


Erikoismittapäät ovat turhan kalliita

Suuri kaistanleveys ja korkea yhteismuotoinen vaimennus voidaan aikaansaada esimerkiksi käyttämällä optisesti eristettyjä probeja. Kuitenkin tällaiset erikoismittapäät maksavat tyypillisesti enemmän kuin varsinainen oskilloskooppi ja kustannukset kasvavat, mikäli vaaditaan monikanavaisia mittauksia. Lisäksi näiden mittapäiden sisääntulojännitealue on rajallinen, joten vain tiettyjen mittausten tekeminen on mahdollista. Monille tehoelektroniikan kehittäjille tämä ei ole varteenotettava vaihtoehto.

Kustannustehokkaat vaihtoehdot

Kehittyneet oskilloskoopit, joissa on kelluvat mittauskanavat, tarjoavat edullisen, mutta kuitenkin tehokkaan vaihtoehdon. Kannettava R&S Scope Rider –oskilloskooppi on hyvä esimerkki tällaisesta laitteesta. Siinä on neljä kelluvaa mittauskanavaa, joita voidaan käyttää erilaisten mittausten suorittamiseen maks. 1000 V (RMS) potentiaalierolla – eikä siihen tarvita kalliita differentiaaliprobeja. Koska kaistanleveys on 500 megahertsiä, se soveltuu kehittyneiden Sic- ja GaN-puolijohteiden mittauksiin. Se soveltuu myös kenttäkäyttöön, sillä siinä on akku. Toisin kuin muissa kelluvilla mittauskanavilla varustetuissa oskilloskoopeissa, R&S Scope Riderissa on laboratoriotason oskilloskoopin analysointiominaisuudet. Siinä on erittäin suuri näytteenottotaajuus, jopa 50 000 aaltomuotoa sekunnissa, joustavat triggaustoiminnot ja runsaasti automaattisia mittaustoimintoja. 


Kuva 1: Kuvassa mitataan resonanssimuunninta. Oskilloskoopin kanavalla 1 gate-mittaus, kanavalla 2 source-mittaus ja kanavalla 3 nähdään ulostulojännite (lähde: Rohde & Schwarz).

Kuva 2: GaN-pohjaisen tehokerroinkorjaimen (PFC) lähtöasteen kytkentähetken mittaus (lähde: Rohde & Schwarz).

Oikeat liitännät tärkeitä

Tehoelektroniikan mittaaminen laadukkaasti edellyttää oikeanlaista mittalaitetta, probea ja proben ja mitattavan laitteen välistä liitosta. Passiiviprobet ovat omiaan kelluvilla mittauskanavilla varustetulla oskilloskoopilla tehtävissä mittauksissa. Tällöin signaalin ja maadoituksen välisten liitäntöjen tulee olla mahdollisimman lyhyitä, jotta soiminen olisi mahdollisimman vähäistä ja saataisiin aikaan korkein mahdollinen yhteismuotoinen vaimennus. Yleensä paras tulos saadaan aikaan käytettäessä mittapään kärjessä olevaa maadoitusliitäntää. Vaarallisia jännitteitä mitattaessa on kuitenkin turvallisuussyistä oltava esivalmistellut kontaktipisteet. Tavallisesti pienet johdinsilmukat on juotettu kontaktipisteisiin, jotta passiivimittapäät voidaan yhdistää niihin. Tietyissä tilanteissa BNC-liittimen asennus on vaihtoehtoisesti mahdollista. BNC-adaptereja voidaan tällöin käyttää proben kanssa, jolloin aikaansaadaan lähes ihanteellinen liitos.

Kuva 3: Esivalmistellut johdinsilmukat mitattaessa vaarallisia jännitteitä passiiviprobeilla ja kelluvilla mittauskanavilla varustetulla oskilloskoopilla (lähde: Rohde & Schwarz).

Piiriin kytkettävien differentiaalimittapäiden sijaintia ei yleensä ole rajoitettu. Kuitenkin kelluvilla mittauskanavilla mitattaessa signaalijohtimen ja maadoituksen liitäntäpaikalla on merkitystä. Kelluvien mittauskanavien signaali- ja maaliityntöjen erilainen kapasitanssi maapotentiaalia vasten vääristää mittaustulosta. Tyydyttävien mittaustulosten aikaansaamiseksi signaalipolku tulisi yhdistää sopivaan mittauspisteeseen.

Kuva 4: Kelluvilla mittauskanavilla mitattaessa signaalijohdin tulisi aina olla yhdistettynä sopivaan mittauspisteeseen (lähde: Rohde & Schwarz).

Kriittiset parametrit

Sähkökäyttöjen taajuusmuuttajat toimivat kytkentätaajuuksilla 10-100 kilohertsin alueella. Jotta tämänkaltaisille taajuusmuuttajille voisi tehdä luotettavia mittauksia, kriittinen parametri on mittajärjestelmän maksimijännite. Taajuuden noustessa suurin sallittu jännite alenee mittauskytkennässä. Jos sallittu jännite ylittyy, käyttäjä voi joutua vaaraan. R&S Scope Riderilla voi tehdä mittauksia täydellä signaaliamplitudilla 100 kilohertsiin asti, mikä tekee laitteesta erittäin sopivan käytettäväksi tässä sovelluksessa.

Kuva 5: Maksimijännitteen alennus oskilloskoopin mittauskanavan ja maapotentiaalin välillä R&S Scope Riderissa. Kytkentätaajuus 100 kilohertsiin asti voidaan mitata turvallisesti suurinta sallittua syöttöjännitettä käyttäen (lähde: Rohde & Schwarz).

Jos mitattava laite (DUT) on kytketty yleiseen sähköverkkoon, mittauskategoria on myös otettava huomioon. Mitattavan laitteen kytkentäpaikasta sähköasennuksessa riippuen mittausjärjestelmän tulee kestää eritasoisia ylijännitteitä sisääntulokanavassa ilman, että käyttäjä vaarantuu läpilyöntien tai oikosulkujen takia. Mitä lähempänä sähköasennuksen pääsyöttö on, sitä korkeampia ylijännitteitä voi esiintyä, mikä puolestaan kasvattaa vaadittavaa suojausluokkaa. Oskilloskooppi, jonka suojausluokka on 4 (CAT IV -luokka) tarjoaa riittävän suojan. R&S Scope Riderin ylikuormitussuoja on 8000 V ja siten se soveltuu 600 V (RMS) CAT IV –luokan ympäristöön tai 1000 V (RMS) CAT III –luokan ympäristöön.

Kuva 6: Suojausluokat EN 60664-1 –standardin mukaisesti  (lähde: Rohde & Schwarz).

Lisätoiminnot helpottavat päivittäisiä mittauksia

Nykyaikaisissa oskilloskoopeissa on koko joukko päivittäisiä mittauksia merkittävästi helpottavia toimintoja. Tehoelektroniikan käyttökohteissa tämä tarkoittaa automaattisia mittaustoimintoja näennäistehon, pätötehon ja loistehon laskemiseen, joustavia triggausominaisuuksia erilaisille signaaleille, dataloggeri tai historiatoiminto tiettyjen mittaustulosten tai signaalien pitkäaikaista seurantaa varten.

Kuva 7: Automaattiset mittaustoiminnot laskevat näennäistehon, pätötehon ja loistehon sekä tehokertoimen mitatusta jännitteestä (kanava 1) ja virrasta (kanava 2) (lähde: Rohde & Schwarz).

Kätevä analysointitoiminto on myös harmonisten analysointi. Harmoniset ovat muunninten ei-toivottuja sivutuotteita, joiden täytyy pysyä tietyissä raja-arvoissa, jotta ne eivät heikentäisi verkon laatua. Muita tärkeitä parametreja ovat erilaisten harmonisten vaiheet sekä THD-särö.

Nämä parametrit voidaan mitata R&S Scope Riderin harmonisten analysointitoiminnolla. Mittaaminen ja vertaaminen kaikilla neljällä kanavalla yhtäaikaisesti ennalta määritettyjä raja-arvoja vasten onnistuu automaattisesti.

Kuva 8: Kolmivaiheisen 100 V signaalin harmonisten analysointi. Siniset viivat osoittavat virran EN50160-mukaisen raja-arvon. Mittaukseen on valittu 13. harmoninen, kolmen kanavan tasot ovat alueilla -56,5 dB, -54,0 dB ja -51,0 dB (lähde: Rohde & Schwarz).

R&S Scope Rideria (R&S RTH) voidaan käyttää tarvittaessa myös etänä turvallisesti WLAN-yhteyden kautta, mistä on hyötyä erityisesti mitattaessa kriittisissä olosuhteissa.

Yhteenveto

Suunnittelijoiden mielestä kelluvilla mittauskanavilla varustetut oskilloskoopit tarjoavat tehokkaan ja edullisen vaihtoehdon tehoelektroniikan moduulien turvalliseen mittaamiseen. Modernin etuaste- teknologian, maksimissaan 500 megahertsin kaistanleveyden ja tehokkaan signaalinkäsittelyn ansiosta nämä oskilloskoopit soveltuvat nyt myös GaN- ja SiC-pohjaisten puolijohdepiirien mittaamiseen. R&S Scope Rider on vakuuttava luokkansa edustaja, joka on omiaan myös oskilloskoopin perinteisessä käytössä juuri sen kattavien analysointikyvykkyyksien vuoksi.

Kuva 9: R&S Scope Riderin etäkäyttö WLAN-yhteyden kautta mitattaessa kriittisissä olosuhteissa (lähde: Rohde & Schwarz).

Artikkelin käännös: Rohde & Schwarz Finland Oy