Meten aan halve-brugschakelingen

De volgende gebeurtenissen worden beschreven:

1. High-side inschakeling

2. High-side afschakeling / low-side inschakeling

De componenten die onder meer worden gebruikt in halve-brugtopologieën hebben een sterke ontwikkeling doorgemaakt, die resulteerde in een grotere efficiency, hogere dichtheid en betere betrouwbaarheid. Een voorbeeld van een halve-brugconfiguratie is te zien in figuur 1.

Figuur 1. Halve-brugconfiguratie.

De ontwikkeling van componenten voor vermogensomzetting en de strengere ontwerpeisen zijn gaan voorlopen op de mogelijkheden om deze ontwerpen accuraat te meten en te karakteriseren. Op dit moment bestaat er geen test- en meetapparatuur waarmee bijvoorbeeld de high-side gate-source spanning nauwkeurig kan worden gemeten. In feite kunnen de meeste verschilsignalen in aanwezigheid van huidige hoogfrequente common-mode spanningen niet accuraat worden gemeten. Om inzicht te krijgen in wat er in dergelijke omgevingen gebeurt, moesten gebruikers hun toevlucht nemen tot alternatieve methoden, waaronder uitgebreide simulatie, het meten van de low-side schakelaar (als aardreferentie) en het extrapoleren van de resultaten naar de high-side schakelaar, het onderzoeken van de thermische eigenschappen, het gebruik van EMI-nabijheidssensoren of proefondervindelijke methoden.

De voordelen van een ontwerp als dat van een halve-brugschakeling komen alleen tot hun recht wanneer zowel de halve-brugschakeling als de gate-stuurschakeling en de layout deugdelijk zijn ontworpen en geoptimaliseerd. Deze schakeling kan niet worden afgeregeld en geoptimaliseerd als je hem niet kunt meten.

Om aan deze ontwerpeis te voldoen is een karakterisering nodig van de golfvormen, waarvan het ideale geval is afgebeeld in figuur 2.

 Figuur 2. Voorbeeld ideale golfvormen bij schakelen in halve-brugconfiguratie.

High-side inschakelkarakteristieken

In het algemeen zijn drie kenmerkende gebieden van de inschakelgolfvorm van belang. Het eerste gebied is de C_GS-laadtijd. Dit wordt gevolgd door het Miller-plateau. Dat is de tijd die nodig is om de gate-drain Miller-capaciteit (C_GD) op te laden en deze is afhankelijk van de V_DS. Deze laadtijd neemt toe naarmate de V_DS groter wordt.

Zodra het kanaal in geleiding is, zal de gate tot zijn uiteindelijke waarde opladen. De ideale weergave van deze gebieden is te zien in figuur 3.

Figuur 3. High-side inschakelkarakteristieken.

De high-side V_GS ligt boven op de spanning van de schakelnode die schakelt tussen ‘aarde’ en de inputvoedingsspanning. Door deze snel veranderende common-mode spanning kan de gate-source spanning niet worden gemeten zonder adequate common-mode rejection.

Misschien hebt u wel eens geprobeerd de high-side V_GS te meten en daarbij een golfvorm gevonden die vergelijkbaar is met de output van de verschilversterker DA1855A op een LeCroy-scope, zoals te zien in figuur 4. Als je deze werkelijke output vergelijkt met de ideale transitie, dan is het lastig om daar zinvolle informatie uit te halen over wat er in elk van bovengenoemde gebieden gebeurt en ontwerpkeuzes te maken op basis van deze meting. Wel moet worden opgemerkt dat getoonde golfvorm drastisch verandert naargelang van de positie van de ingangsdraden van de sensor, waardoor een herhaalbare meting onmogelijk is.

 

Figuur 4. High-side V_GS-output op een LeCroy DA1855A vergeleken met de ideale situatie.

Het IsoVu-meetsysteem toont echter de details van wat er in het ontwerp gebeurt. De meting is stabiel en herhaalbaar. Deze golfvorm toont duidelijk de resonanties en signaaldetails die voorheen onzichtbaar waren.

 

Figuur 5. High-side V_GS-output op een Tektronix IsoVu vergeleken met de ideale situatie.

Tot dusverre gaf de LeCroy DA1855A met een 12-bit oscilloscoop het beste inzicht in dit type metingen. Met dit meetsysteem zouden gebruikers er wellicht voor kiezen om hun ontwerp te optimaliseren op basis van de informatie uit de golfvorm. Die liet immers een aantal van de verwachte karakteristieken zien. Het IsoVu-systeem vertelt echter een heel ander verhaal. Figuur 6 vergelijkt de beide meetsystemen en laat zien hoezeer gebruikers hun systeem onjuist kunnen afregelen als zij het optimaliseren op basis van een meetsysteem met een beperkte CMRR en bandbreedte.

Figuur 6. Vergelijking van golfvormen op een LeCroy-oscilloscoop met overlay van de IsoVu-golfvorm.

IsoVu biedt de resolutie en herhaalbaarheid die nodig zijn om de prestaties van hun ontwerp te optimaliseren. Zoals te zien is in figuur 7 is er een duidelijke correlatie tussen het Miller-plateau en de overgang van de schakelnode.

 Figuur 7. High-side V_GS-inschakeling en schakelnode vergeleken met een ideale situatie.

Hoewel de low-side schakelaar als aardreferentie wordt beschouwd, is het interessant om de werkelijke golfvorm te zien, en de manier waarop deze van invloed kan zijn op de prestaties van de high-side. Figuur 8 laat zien dat de low-side schakelaar uitslingert door parasitaire koppeling tussen de low-side schakelaar, de high-side gate en de schakelnode.

Figuur 8. Onderlinge beïnvloeding van de high-side en low-side schakelaars.

High-side afschakel-  en Low-side inschakelkarakteristieken

Veel van deze zelfde eigenschappen worden zichtbaar tijdens de overgangen van de high-side afschakeling naar de low-side inschakeling. Figuur 9 laat zien dat het Miller-plateau in de low-side V_GS duidelijk zichtbaar is.

De parasitaire koppeling tussen de schakelnode en de high- en low-side FET’s is duidelijk en de bandbreedte van het IsoVu-meetsysteem is meer dan toereikend voor het meten van de dode tijd.

 Figuur 9. High-side uitschakelen, low-side inschakelen en dode tijd.

Een accurate meting van de chronologisch optredende high-side en low-side gebeurtenissen is van vitaal belang voor het voorkomen van gelijktijdige geleiding van de twee FET’s, die kan leiden tot overmatige schakelverliezen, verminderde efficiency en minder goede prestaties.

Conclusie

Om moeilijke metingen, waaronder die van de high-side V_GS accuraat te kunnen uitvoeren, is een meetsysteem nodig dat een grote bandbreedte combineert met een hoge common-mode spanning en een hoge common-mode onderdrukking. Het IsoVu-systeem van Tektronix is volledig galvanisch geïsoleerd en biedt een bandbreedte van 1 GHz, 2000 V common-mode spanning en een common-mode rejection ratio van 1 miljoen tot 1(120 dB). Dankzij de combinatie van deze specificaties kunnen deze lastige metingen voortaan wel worden verricht.

http://www.cnrood.com/