Strmé hrany, vysoké proudy: proudové sondy pro SiC a GaN
Proč osciloskopická proudová sonda potřebuje vyšší šířku pásma i vyšší použitelnou frekvenci, aby držela krok s moderními výkonovými polovodiči – a jak to splňují nové sondy HIOKI CT6704 a CT6705.
Výkonové polovodiče se výrazně posunuly vpřed. Karbid křemíku (SiC) a nitrid galia (GaN) spínají mnohem rychleji a při vyšších frekvencích než klasické křemíkové součástky, které nahrazují. To klade na proudovou sondu dva zásadní a současně odlišné požadavky.
Prvním je dostatečná šířka pásma, která umožní zobrazit skutečný průběh spínací hrany namísto její zaoblené aproximace. Druhým je schopnost přenášet dostatečně vysoký proud i při frekvencích, na kterých moderní výkonové polovodiče pracují, aniž by bylo nutné přejít na sondu s vyšším proudovým rozsahem, ale nižší šířkou pásma.
Právě s ohledem na tyto požadavky byly vyvinuty nové proudové sondy CT6704 a CT6705.
Dostatečná rychlost pro strmé spínací hrany
Přechodové děje v SiC a GaN výkonových polovodičích probíhají tak rychle, že je proudová sonda dokáže věrně zachytit pouze tehdy, pokud její šířka pásma výrazně přesahuje základní frekvenční složku měřeného signálu.
Model CT6704 nahrazuje sondu 3274, model CT6705 pak sondu 3275. Zlepšení parametrů je přitom výrazné.
- CT6704 nabízí pásmo DC až 30 MHz s dobou náběhu 11,6 ns, zatímco předchozí model 3274 dosahoval pouze DC až 10 MHz při době náběhu 35 ns.
- CT6705 poskytuje pásmo DC až 15 MHz s dobou náběhu 23,3 ns, oproti modelu 3275 s rozsahem DC až 2 MHz a dobou náběhu 175 ns.
To znamená přibližně trojnásobnou šířku pásma u CT6704 a více než sedminásobnou u CT6705 spolu s odpovídajícím zkrácením doby náběhu.
Při skutečném měření je rozdíl zásadní – místo zkreslené aproximace uvidíte skutečný průběh spínací hrany.
Jmenovitý proud až do oblasti kilohertzů
Proudová sonda má kromě šířky pásma ještě jedno důležité omezení – snižování dovoleného proudu s rostoucí frekvencí (derating).
S rostoucí frekvencí již sonda nemůže bezpečně přenášet svůj plný jmenovitý proud, protože by docházelo k jejímu nadměrnému zahřívání. Důvodem jsou především vířivé proudy, které vysokofrekvenční signály vyvolávají v kovových částech sondy.
U starších modelů bylo toto omezení překvapivě výrazné:
- model 3274 zvládal plný jmenovitý proud pouze přibližně do 100 Hz,
- model 3275 přibližně do 400 Hz.
To je pro dnešní výkonovou elektroniku zcela nedostačující, protože spínací frekvence se běžně pohybují řádově výše. Ve výsledku starší sondy dokázaly při těchto frekvencích přenášet jen zlomek svého jmenovitého proudu.
Obvyklým řešením bylo použití sondy s vyšším proudovým rozsahem. Ta však zpravidla nabízela nižší šířku pásma a pomalejší odezvu. Jinými slovy – získali jste vyšší proudový rozsah, ale zaplatili jste za něj nižší rychlostí.
Modely CT6704 a CT6705 využívají nové magnetické i tepelné konstrukční řešení, které výrazně omezuje vnitřní zahřívání při vysokých frekvencích.
Při pokojové teplotě proto:
zatímco jejich předchůdci dosahovali těchto hodnot pouze přibližně do 100 Hz, respektive 400 Hz.
Vysoká rychlost bez teplotního driftu
Starší sondy 3274 a 3275 využívaly pro měření stejnosměrné a nízkofrekvenční složky proudu Hallův snímač.
Hallův prvek je polovodič, jehož vlastnosti se mění s teplotou. Jakmile se sonda zahřívá, mění se i její nulová úroveň (offset) a dochází k teplotnímu driftu.
Sonda se přitom zahřívá poměrně snadno:
- okolním prostředím
- blízkostí výkonové elektroniky
- zejména však vysokofrekvenčními složkami měřeného signálu, které ji zahřívají zevnitř
Samotný stejnosměrný proud přitom významné zahřívání nezpůsobuje.
Nové modely CT6704 a CT6705 nahrazují Hallův snímač technologií Fluxgate, aniž by obětovaly vysokou šířku pásma. Naopak – šířka pásma se ještě zvýšila.
Fluxgate technologie přináší především:
- přibližně o 90 % nižší teplotní drift DC offsetu
- poprvé u osciloskopické proudové sondy specifikovaný teplotní koeficient offsetu v katalogových údajích (±0,1 mV/°C)
- rozšířený provozní teplotní rozsah −10 až +50 °C místo původních 0 až +40 °C
Stejný princip měření využívají i vysoce přesné proudové senzory používané s analyzátory výkonu HIOKI. Nyní je tato osvědčená technologie dostupná také v klešťové proudové sondě se standardním BNC konektorem.
