TICP1: Stromshunt-Messung mit 1-GHz-Power

Eine der wichtigsten Grundregeln in der Prüf- und Messtechnik bezieht sich auf das Verhältnis zwischen der Bandbreite des Messsystems und der Signalanstiegszeit. Die Bandbreite eines Oszilloskops wird nach diesem Kriterium gewählt, da sie die kleinste ablesbare Anstiegs- und Abfallzeit bestimmt, die genau gemessen werden kann. Die Regel besagt, dass die Anstiegszeit des Oszilloskops weniger als 1/5 der schnellsten Anstiegszeit des gemessenen Signals betragen sollte.

Das sind die Aufgaben von Tastköpfen

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Tastköpfe zum Verbinden von Oszilloskop und Messobjekt

Neulich im Labor: Das Messgerät steht bereit und die Freude ist groß über die Vielzahl an Funktionen des neuen Rigol Oszilloskops. Aber wie verbindet man das Oszilloskop jetzt am besten mit dem Messobjekt und welche Konsequenzen hat diese Anbindung in Bezug auf die Qualität der Messergebnisse?Hier erfahren Sie, wie man das Messobjekt am besten mit dem Oszilloskop verbindet.

Wenn also ein Signal zwischen 3 und 4 ns wechselt, sollte das Oszilloskop in der Lage sein, eine Zeit zwischen 600 und 800 ps zu messen, was der typischen Leistung eines 1-GHz-Oszilloskops entspricht.

Wie beeinflusst Wide-Bandgap-Technologie die Messtechnik?

Wide-Bandgap-Technologien ermöglichen Schaltsignale mit hoher Anstiegsrate. Dadurch wurde der Einsatz von 1-GHz-Oszilloskopen immer gängiger, und die Anbieter mussten schnell reagieren, um eine höhere vertikale Auflösung in diesen Bandbreiten anbieten zu können. Es wurde sofort deutlich, dass es zwar schon seit einiger Zeit Oszilloskope mit einer Bandbreite von 1 GHz gab, dass aber Hochspannungs- und Stromtastköpfe den Bandbreitenanforderungen nicht gerecht wurden und schnell zu einem Engpass in der Messkette wurden.

Die Einführung neuer isolierter Spannungstastköpfe mit optischer Technologie hat enorme Fortschritte ermöglicht. Sie garantieren eine präzise Messung schnell schaltender Signale, die mit der 1-GHz-Bandbreite des Oszilloskops kompatibel sind. Dank eines ausgeklügelten Abschirmungsdesigns und neuer Best Practices für die Kontaktierung wird zudem das Rauschen der Schaltvorgänge eliminiert.

Daryl Ellis, General Manager bei Tektronix, erklärt Neuheiten

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Tektronix stellt das Mixed-Signal-Oszilloskop der Serie 4 B vor

Daryl Ellis, General Manager bei Tektronix, stellt das MSO der Serie 4 B mit Bandbreiten von 200 MHz bis 1,5 GHz, Echtzeitabtastung mit 6,25 Gigasample/s und bis zu 16 Bit vertikaler Auflösung vor. Auch erzählt er von zukünftigen Trends und von Plänen des Untrnehmens.Hier stellen wir das MSO der Serie 4 B mit Bandbreiten von 200 MHz bis 1,5 GHz, Echtzeitabtastung mit 6,25 Gigasample/s und bis zu 16 Bit vertikaler Auflösung vor.

Was blieb, waren Tastköpfe, die darauf beschränkt waren, sich an eine Leitung, einen Pin oder einen Leiter zu klemmen, wo Strom floss. Stromzangen führen berührungslose Strommessungen durch, indem sie einen Stromwandler für Wechselstrom und einen Hall-Effekt-Sensor für Gleichstrom nutzen. Sie sind per Definition galvanisch isoliert und haben eine niedrige Impedanzbelastung für einen Stromkreis, sättigen jedoch bei Strömen von über 80 A und die Bandbreite beträgt nicht mehr als 150M Hz. Wie kann man also Ströme messen, die mit schnelleren Anstiegs-/Abfallzeiten schalten?

Limitierungen klassischer Messsysteme

Das Ohm’sche Gesetz bietet die Möglichkeit, den Stromfluss über den Spannungsabfall an einem Widerstand zu berechnen. Entwickler mögen es nicht, einen Widerstand einem Stromkreis hinzuzufügen, nur um zu messen, ganz zu schweigen von der Tatsache, dass dadurch die wertvolle Energie, die sie effizient umwandeln wollen, verloren geht. Es bedeutet auch, dass man etwas physisch in den Stromkreis einfügt und direkt mit ihm verbindet. Der eindeutige Vorteil liegt in der Möglichkeit, sehr kleine Ströme und schnell schaltende Hochstromsignale fast ohne Bandbreitenbeschränkung genau zu messen.

Leistungshalbleiter wie SiC- oder GaN-MOSFETs arbeiten mit schnellen Schaltzeiten. Entwickler sind in der Regel besorgt über die Oszillationen während der Schalttransienten, die zu Störaussendungen oder Funktionsproblemen in der gesamten Schaltung führen können. Um diese Transienten und Oszillationen "sehen" zu können, haben die Entwickler begonnen, CVR (Current View Resistors) zu verwenden und in Bauteile mit hoher Wärmekapazität und möglichst geringer parasitärer Induktivität zu investieren. Die beobachteten Oszillationen könnten tatsächlich eine Folge der parasitären Induktivität des zur Strommessung verwendeten Shunts sein, ein Faktor, der natürlich ausgeschlossen werden muss.

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Die Entwickler der Leistungselektronik begannen auch, koaxiale Shunts zu verwenden, die sich für Hochfrequenzmessungen eignen, auch wenn sie einige thermische Probleme aufweisen (insbesondere bei Dauerbetrieb). Der koaxiale Shunt ist recht gut in Bezug auf einen flachen Frequenzgang und eine schnelle Reaktion bei Hochstrommessungen, aber natürlich nicht klein genug, um auf einer Leiterplatte Platz zu finden.

Shunts verhalten sich jedoch wie ein Wellenleiter mit Luft als Dielektrikum und können auch Rauschen aufnehmen. Ein Shunt wird im Allgemeinen als geerdete Verbindung verwendet, um Messungen mit Erdbezug der Drain-Ströme durchzuführen.

Ein echter Fortschritt bei Strommessungen wäre die Einführung von kompakteren Shunts mit geringerer parasitärer Induktivität, die nicht zu Messstörungen beitragen.

Was zeichnet den Strom-Shunt-Tastkopf TICP1 aus?

Tektronix beschloss, eine aktuelle Isolationstechnologie für Spannungstastköpfe zu patentieren, die als Ergänzung zu Shunts für die Strommessung eingesetzt werden kann. Dieser Tastkopf sollte ursprünglich die kontinuierliche Überwachung von Strömen mit niedrigem Pegel und niedriger Frequenz auf Stromschienen mit hoher Genauigkeit unterstützen und dank der robusten Abschirmung externes Rauschen abweisen, und genau das tut er auch. Da aktuelle Shunt-Widerstände jedoch problemlos mit hohen Pegel- und Hochfrequenz-Schaltströmen umgehen können, fand diese kompakte, isolierte und geschirmte Lösung auch eine interessante Anwendung bei der Prüfung im Bereich der Leistungselektronik.

Sie löste auch das Sicherheitsproblem durch den Einsatz einer robusten galvanischen Isolierung bei der Messung über Shunts, die durch eine spezielle HF-Isolationsmethodik implementiert wird, die Masseschleifen eliminiert und das Gleichtaktrauschen beim Betrieb mit Gleichtaktspannungen von bis zu 1800 V reduziert. Dies bedeutet, dass Entwickler der Leistungselektronik frei entscheiden können, welchen Hochpräzisionsshunt mit kleinem Widerstand Sie bevorzugen, je nachdem welche spezifischen Strombereiche gemessen werden. Sobald die messbare Spannung durch den Shunt zur Verfügung steht, wird sie über eine abgeschirmte Tastkopfspitze in den Tastkopfkörper mit einer HF-Isolierung geleitet. Der Tastkopf konvertiert das Signal in den Mikrowellenfrequenzbereich und passiert durch einen patentierten Mechanismus die physikalische Trennbarriere, die Sicherheit und Signalintegrität gewährleistet. Nach dem Passieren der Isolationsbarriere wird das Signal in seine ursprüngliche Form heruntergemischt, hat aber nun einen Massebezug zum Messgerät.

Messung des Regelkreisverhaltens eines Netzgeräts

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Einführung in die Frequenzganganalyse

Obwohl die Analyse des Frequenzgangs mit speziellen Geräten erfolgen kann, ist es möglich, mit aktuellen Oszilloskopen den Frequenzgang eines Stromversorgungsregelkreises zu messen. So können Anwender die Stabilität der Stromversorgung beurteilen.Hier erfahren Sie, wie Anwender die Stabilität der Stromversorgung beurteilen können.

Die potentialfreie Auslegung ermöglicht die Messung von Strömen über Shunts/CVRs, die direkt auf dem Hochspannungsbus platziert sind, so dass sie nicht auf die Masse bezogen sind. Dies wird als „High Side Sensing" bezeichnet und hat den Vorteil, dass der Strom gemessen wird, wenn er die Versorgung verlässt, und nicht erst, nachdem er durch die Last geflossen ist. Dadurch wird vermieden, dass ein unbeabsichtigter Rückkanal zur Erdung potenzielle Störungen aufnimmt, die zu Ungenauigkeiten führen. Das High-Side-Sensing vermeidet auch eine Anhebung des Massepotenzials der Last, obwohl dieses bei einem Shunt mit sehr niedrigem Widerstand nur minimal ist. Schließlich wird das High Side Sensing verwendet, wenn mehrere Lasten an dieselbe Masse angeschlossen sind (d. h. sich diese teilen). Der TICP1 von Tektronix löst die Notwendigkeit eines isolierten Verstärkers zur Messung der Shunt-Spannung, die auf die hohe Busspannung bezogen ist.

Materialien und Designoptimierungen für Shunts

Während T&M-Anbieter die vertikale Auflösung der Oszilloskope weiter verbessern, das Grundrauschen des Front-Ends verringern und die Entwickler mit immer ausgefeilteren Tastköpfen ausstatten, bietet die Forschung an speziellen Metalllegierungen, Materialien und Komponenten weiterhin Shunt-Widerstände, die stabil und genau im Milliohm-Bereich sind. Das bedeutet, dass sie mit Wärme umgehen können, ohne auszufallen oder einen signifikanten Driftwiderstand aufzuweisen. Spezielle Geometrien für Shunts werden jetzt untersucht, um die parasitäre Induktivität unter den Schwellenwert von 1 nH zu senken, der für die Messung schnell schaltender Bauteile unerlässlich ist. Außerdem müssen sie einfach zu handhaben sein und über lötbare Anschlüsse verfügen, um eine sichere Verbindung auf den Leiterplatten der Leistungswandler zu gewährleisten.

Fazit

Leistungshalbleiter mit breiter Bandlücke erhöhen die Anforderungen an Oszilloskope und Tastköpfe. Bei den Tastköpfen geht der Trend zu Shunt-Messungen und damit zu höheren Anforderungen an die Stromsensoren.

Die Quintessenz ist, dass Stromsensoren keine Induktivität in einen Lastkreis einbringen sollten, die den Schaltvorgang beeinflusst und die Signaltreue beeinträchtigt. Während die Shunts immer weiter verbessert werden, werden neue Typen von isolierten Tastköpfen speziell für Stromshunt-Messungen auf den Markt gebracht. Der isolierte Strom-Shunt-Tastkopf TICP1 von Tektronix ist der erste HF-isolierte Tastkopf auf dem Markt. Er bietet eine Bandbreite von bis zu 1 GHz für isolierte, sichere Messungen, wenn er auf erdfreien Shunts platziert wird, und gewährleistet eine extreme Genauigkeit bei der Messung schneller Schaltströme ohne unbeabsichtigte Schwingungen, die durch das Messsystem selbst verursacht werden. (bs)