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Oszilloskope für Messungen an modernen Leistungshalbleitern : Ausgabe 03/2018, 15.02.2018

Das bringen isolierte Eingänge

Moderne Halbleiter ermöglichen bisher unerreichte Wirkungsgrade bei immer höheren Leistungsdichten. Gleichzeitig erhöhen sie die Anforderungen an die Messtechnik bei der Entwicklung von Leistungselektronik. Hier bieten sich Oszilloskope mit einer vollkommenen galvanischen Trennung der Eingangskanäle als kostengünstiges Messsystem an. Sie stellen ein breites Spektrum an Analysemöglichkeiten zur Verfügung, das dem eines Laboroszilloskops in nichts nachsteht.

Autor: Markus Herdin, Produktmanager für Oszilloskope bei Rohde & Schwarz

Bilder: Rohde & Schwarz

Sehr geringe Anstiegszeiten und geringe Verluste sind entscheidende Vorteile von Leistungstransistoren, welche auf SiC- und GaN-Halbleitern basieren. Diese Vorteile übersetzen sich in höhere Effizienz und höhere Leistungsdichte. Gleichzeitig ermöglichen die modernen Halbleiter eine hohe Spannungsfestigkeit, was entscheidend ist für die Realisierung von Konvertern hoher Leistung. Das gilt insbesondere für elektrische Antriebe und Leistungsumrichter. Doch die vorgegebenen Spannungsgrenzen der Halbleiter müssen strikt eingehalten werden, da ansonsten deren Zerstörung droht.

Für den Anwender ergeben sich somit neue Herausforderungen:

  • Schaltzeiten deutlich kleiner als 10 Nanosekunden machen in der Praxis Messbandbreiten von grösser 200 MHz notwendig. Das ist mehr als typische Hochspannungstastköpfe heute leisten können
  • Zur Optimierung des Schaltwandlers müssen mehrere Signale gleichzeitig und potentialfrei dargestellt und analysiert werden
  • Die Messung von differentiellen Signalen mit sehr hohem Gleichtaktanteil macht eine hohe Gleichtaktunterdrückung erforderlich

Isolierte Eingänge als preiswerte Alternative

Eine hohe Bandbreite und eine hohe Gleichtaktunterdrückung kann beispielsweise mit optisch isolierten Tastköpfen erreicht werden. Der Preis eines solchen Spezialtastkopfs übersteigt aber häufig den Preis des eigentlichen Oszilloskops um ein Vielfaches.

Eine preiswerte und leistungsfähige Alternative stellen moderne Oszilloskope mit isolierten Eingangskanälen dar. Ein Beispiel dafür ist das tragbare Oszilloskop Scope Rider. Seine vier isolierten Eingangskanäle erlauben differentielle Messungen mit Potentialunterschieden von bis zu 1000 Vrms, ohne dass teure Differenztastköpfe benötig werden. Mit 500 MHz Bandbreite eignet es sich gut für die Messung an modernen SiC- und GaN-Halbleitern.

Ausserdem ermöglicht der Batterie­betrieb mobile Einsätze. Im Gegensatz zu anderen Oszilloskopen mit isolierten Eingängen verfügt der Scope Rider über Analysefähigkeiten, die denen eines Laboroszilloskops entsprechen. Für hochwertige Messungen an Leistungselektronik sind nicht nur das richtige Messgerät und der richtige Tastkopf notwendig, sondern es muss auch ein besonderes Augenmerk auf die richtige Kontaktierung gelegt werden.

Richtige Kontaktierung ist essentiell

Entscheidend dabei ist eine möglichst kurze Kontaktierung der Signal- und Masseverbindung, um Überschwingen (Ringing) zu minimieren und eine möglichst grosse Gleichtakt­unterdrückung zu erreichen. Grundsätzlich eignen sich Massefedern als optimale Kontaktierung mit einem passiven Tastkopf. Sollen allerdings berührungsgefährliche Spannungen gemessen werden, müssen aus Sicherheitsgründen vorgefertigte Kontaktpunkte existieren. Üblicherweise werden kleine Leiterschleifen an den Kontaktpunkten angelötet und die passiven Tastköpfe dort eingefädelt. Falls dies möglich ist, kann alternativ auch ein BNC-Stecker dort angebracht werden. Während man differentielle Tastköpfe beliebig an die Schaltung anschliessen kann, ist es für die Messungen mit isolierten Eingangskanälen entscheidend, an welcher Stelle der Signalleiter und an welcher die Masse angeschlossen wird. Für ein gutes Messergebnis sollte aus diesem Grund der Signalpfad am geschalteten Messpunkt angeschlossen werden.

Entscheidende Parameter

Wandler für elektrische Antriebe arbeiten typischerweise mit Taktfrequenzen im Bereich von 10 bis 100 kHz. Entscheidend für eine sichere Messung an diesen Wandlern ist nicht nur die Maximalspannung des Messsystems, sondern auch das sogenannte «Derating» über die Frequenz. Mit zunehmender Frequenz verringert sich die maximal erlaubte Spannung am Messeingang oder zwischen Massepotential des Messsystems und Erdpotential. Wird diese überschritten, kann es zu einer Gefährdung für den Anwender kommen. Der Scope Rider erlaubt eine Messung mit voller Signalamplitude bis zu 100 kHz und ist somit für diese Anwendung gut geeignet.

Ist das Testobjekt zusätzlich an die elektrische Installation angeschlossen, muss auch die Messkategorie beachtet werden. Abhängig davon, an welcher Stelle der elektrischen Installation das Testobjekt angeschlossen ist, muss das Messsystem unterschiedlich grosse Spannungsspitzen am Eingangskanal erlauben, ohne die Sicherheit des Anwenders durch Überschläge oder Kurzschlüsse zu gefährden. Mit einem isolierten Oszilloskop der Kategorie 4 (CAT IV Rating) ist man auf der sicheren Seite. Beim Scope Rider bedeutet das eine Überspannungsfestigkeit von bis 8000 V und damit eine Eignung für 600 V (RMS) in einer CAT-IV-Umgebung oder 1000 V (RMS) in einer CAT-III-Umgebung.

Zusatzfunktionen erleichtern Routine

Moderne Oszilloskope bieten eine Reihe an Funktionen, welche Messungen wesentlich erleichtern. Für das Anwendungsgebiet Leistungselektronik zählen dazu beispielsweise automatische Messfunktionen zur Berechnung von Wirk-, Schein- und Blindleistung, flexible Triggermöglichkeiten, um gezielt Signalelemente in einem Schaltvorgang auswählen zu können und ein Messdatenlogger oder eine «History»-Funktion zur Langzeitüberwachung von ausgewählten Messwerten bzw. Signalen. Eine weitere nützliche Analysefunktion ist ein Harmonischen-Analysator. Strom- und Spannungsharmonische sind unerwünschte Nebenprodukte von Schaltwandlern und müssen sich innerhalb gewisser Grenzwerte bewegen, um nicht die Netzqualität negativ zu beeinflussen. Wichtige weitere Parameter stellen die Phasenbezüge der unterschiedlichen Harmonischen dar, wie auch die Gesamtverzerrung, meistens als «Total Harmonic Distortion» (THD) gemessen.

In kritischen Messsituationen kann der Scope Rider (RTH) über WLAN fernbedient werden und ermöglicht eine Trennung der Messgerätebedienung vom eigentlichen Mess-objekt und somit maximale Sicherheit. 

Infoservice

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



Vorgefertigte Kontaktschleifen zur störungsarmen und sicheren Messung berührungsgefährlicher Spannungen mit passiven Tastköpfen und einem Oszilloskop mit isolierten Eingangskanälen


Messung von Gate-Source (C1, C2) und Ausgangsspannung (C3) eines Resonanzkonverters