Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
PDF download
Oszilloskope und Tastköpfe für die Messung an SiC-Halbleitern: Ausgabe 17/2018, 24.10.2018

Messtechnik für Hochvoltsysteme

Der Trend zu elektrobetriebenen Fahrzeugen ist nicht mehr aufzuhalten. Zu den wichtigsten Merkmalen zählen Reichweite und Leistung. Die Effizienz der Energiespeicherung und Energieumwandlung ist somit von zentralem Interesse. Leistungshalbleiter auf SiC-Basis eignen sich besonders für diese Anforderungen. Sie bieten schnelle Schaltzeiten und erlauben aufgrund ihrer Spannungsfestigkeit hohe Batteriespannungen. Das erfordert breitbandige, potentialfreie Messtechnik sowie leistungsfähige Analysemöglichkeiten.

Autor: Dr. Markus Herdin ist Produktmanager Oszilloskope bei Rohde & Schwarz in München

Hohe Leistung und effiziente Energieumwandlung kann in der Elektromobilität nur durch hohe Batteriespannungen und den Einsatz moderner Leistungshalbleiter erreicht werden. In den 2013 vom ZVEI veröffentlichten Spannungsklassen der Elektromobilität spricht man bereits von 400 V im Kfz-Bereich und bis zu 800 V im Sportbereich, heute werden von den Automobilherstellern Batteriespannungen von bis zu 1000 V diskutiert.
SiC-Halbleiter haben für diese Anwendung entscheidende Vorteile: eine ausserordentlich hohe Spannungsfestigkeit, sehr kurze Schaltzeiten und somit geringe Schaltverluste. Das erfordert jedoch für die Analyse und Optimierung der Schaltzyklen hohe Messbandbreiten von bis zu 200 MHz.

Breitbandige, differenzielle Messungen sind essentiell
Für die Optimierung der Schaltvorgänge müssen die Gate-Source- und Drain-Source-Spannungen der Leistungstransistoren vermessen werden, sowohl beim sogenannten Low-Side-Transistor als auch beim High-Side-Transistor. Dafür bieten sich beispielsweise die differenziellen Hochspannungstastköpfe der Tastkopffamilie RT-ZHD an. Sie ermöglichen eine potentialfreie Messung mit mehreren Messkanälen und bieten eine hohe Gleichtaktunterdrückung.
Zu den weiteren Vorteilen dieser Tastkopffamilie zählt der hohe Gleichspannungs-Offset von bis zu 2000 V, welcher unabhängig von der Tastkopfabschwächung oder Vertikalskalierung am Oszilloskop eingestellt werden kann. So lassen sich selbst sehr kleine Welligkeiten auf grossen DC-Batteriespannungen erkennen und vermessen. Im Tastkopf integriert ist ein hochgenaues DC-Voltmeter, welches über die Grundgenauigkeit der Tastköpfe von 0,5 % eine DC-Messung mit einer Genauigkeit von 0,1 % erlaubt. Die Hochspannungstastköpfe eignen sich für Messungen mit den neuen Oszilloskopen RTM3000 und RTA4000 wie auch den Oszilloskopen RTE1000 und RTO2000.

Einmalige Vorgänge analysieren
In der Leistungselektronik müssen häufig einmalige Vorgänge analysiert werden. Entscheidend sind dabei ein grosser Akquisitionsspeicher sowie leistungsfähige Analysefunktionen. Hier bieten die RTE und RTO Oszilloskope als Besonderheit die sogenannte Track-Funktion. Diese stellt die Messwerte automatischer Messfunktionen über die Akquisitionszeit dar. Das ist besonders interessant für die Pulsbreiten- oder die Frequenzmessung, um zum Beispiel das Einschwingverhalten eines Spannungswandlers detailliert darzustellen und zu analysieren.

Analyse von EMV-Problemen
Beim Einsatz von schnell schaltenden Leistungshalbleitern wird die EMV-Konformität zu einer wichtigen Herausforderung. Ein ungünstiges Schaltungslayout oder die falsche Erdung von Kühlkörpern kann zu nennenswerter Abstrahlung führen. Hier ist bei der Fehlersuche entscheidend, den Ort im Layout zu lokalisieren, der für die unzulässig hohe Abstrahlung verantwortlich ist. Nahfeldsonden wie beispielsweise die HZ-15 sind dafür geeignete Werkzeuge.
Moderne Oszilloskope sind empfindlich und rauscharm genug, um sie für Messungen mit Nahfeldsonden verwendet zu können. Bei den Oszilloskopen RTE1000 und RTO2000 kann der Anwender darüber hinaus Störemissionen mit zeitlichen Signalen korrelieren. So lassen sich die Fehlerursachen schneller identifizieren.

Mobile Messung mit isoliertem Handheld- Oszilloskop
In mobilen Messanwendungen ist ein Laboroszilloskop aufgrund der notwendigen 230 V Stromversorgung häufig nicht anwendbar. Für diesen Fall bieten sich portable Oszilloskope mit isolierten Eingangskanälen an. Damit sind potentialfreie Messungen ohne teure Differenztastköpfe möglich.
Das Scope Rider Handheld-Oszilloskop erlaubt Eingangsspannungen mit einem maximalen Potentialunterschied zu Erde von 1000 Vrms in einer CAT-III- beziehungsweise 600 Vrms in einer CAT-IV-Umgebung. Mit bis zu 500 MHz Bandbreite können auch sehr schnelle Schaltvorgänge vermessen werden. Zu den vielfältigen Analysemöglichkeiten zählt der Datenlogger, die Spektralanalysefunktion, die zusätzliche digitale 8-Bit-Logikschnittstelle sowie die Harmonischen-Analysefunktion. Darüber hinaus kann das Handheld-Oszilloskop digitale serielle Protokolle wie I2C/SPI, UART, CAN/LIN, CAN-FD oder SENT dekodieren. Damit eignet es sich insbesondere für die komplexe Fehlersuche bei Serviceeinsätzen. Es kann aber natürlich auch als leistungsfähiges und kostengünstiges Laborgerät genutzt werden.

Fazit
Die Entwicklung von effizienten und leistungsfähigen Antriebssystemen für Elektrofahrzeuge bringt neue Herausforderungen für die Messtechnik. Durch den Einsatz neuer Leistungshalbleiter auf SiC-Basis sind breitbandige Messungen an Hochvoltsystemen notwendig. Die schnellen Schaltflanken bringen zusätzlich Herausforderungen für die EMV-Konformität. Für die Analyse des Regelverhaltens der Schaltwandler sind leistungsfähige Analysefunktionen notwendig. Rohde & Schwarz bietet für diese Anwendungen ein breites Portfolio: differenzielle Hochspannungs- Tastköpfe mit einer Bandbreite von bis zu 200 MHz, Labor-Oszilloskope mit tiefem Speicher und leistungsfähigen Analysefunktionen, aber auch portable Oszilloskope mit isolierten Eingängen für die Messung an Prototypen im Feld.

Infoservice
Roschi Rohde & Schwarz AG
Mühlestrasse 7, 3063 Ittigen
Tel. 031 922 15 22, Fax 031 921 81 01
sales@roschi.rohde-schwarz.com, www.rohde-schwarz.com/ch



Nahfeldsonden ermöglichen die Lokalisierung unerwünschter Quellen von Störemissionen


Die Harmonischen-Funktion des R&S Scope Rider (RTH) ermöglicht die automatische Harmonischen-Analyse bei Mehrphasensystemen


Die differenziellen Hochspannungstastköpfe der R&S RT-ZHD-Familie bieten eine Messbandbreite von bis zu 200 MHz, eine hohe Gleichtaktunterdrückung und eine Offset-Kompensation von bis zu 2000 V, die unabhängig von der Tastkopfabschwächung eingestellt werden kann


Die Effizienz der Energiespeicherung und -umwandlung ist bei elektrobetriebenen Fahrzeugen von zentralem Interesse

Literatur

Bernd Deutschmann, Gunter Winkler, Bernhard Auinger, «Störemission von Leistungselektronik», EMV Fachtagung 2017, Universität Graz