Storingsvrij meten aan SiC/GaN met een optisch geïsoldeerde probe

Marijn Hummelink

Oscilloscope specialist

Laatste update: 5 aug. 2025

In dit artikel gaan we uitleggen hoe je met de Micsig SigOFIT optische probes storingsvrij kan meten aan SiC en GaN technologie in bijvoorbeeld DC/DC converters, inverters en motor drives.

Wat is SiC en GaN?

Silicon Carbide (SiC) en Gallium Nitride (GaN) zijn moderne halfgeleidermaterialen die als energiezuiniger alternatief voor traditioneel silicium worden ingezet. Over het algemeen is SiC populair bij hoge spanningen en vermogens (denk aan elektrische autos en solar/thuisbatterijen), terwijl je GaN vaker tegenkomt in hoog frequente compacte toepassingen (denk aan een krachtige USB-C lader). SiC en GaN transistoren hebben zeer lage schakelverliezen waardoor ze een ontwerp veel efficiënter kunnen maken.

Wat zijn de uitdagingen?

Deze lage schakelverliezen zijn te danken aan een verminderde gate lading (Qg), waardoor SiC/GaN snel kan in- en uitschakelen. Dit leidt tot een enorme dv/dt wanneer een spanning van meer dan 1000V in enkele nanoseconden naar 0V gebracht wordt (en andersom). Deze combinatie van hoge spanning en hoge frequentie genereren veel meer hoge orde harmonische energie dan voorheen het geval was. Deze energie uit zich als common mode (CM) verstoring. Hoewel dit in het productontwerp ook uitdagingen met zich meebrengt, concentreren we ons in dit artikel op het meten aan een dergelijke schakeling.

Meettechnieken

Wanneer we de schakelverliezen van een MOSFET willen bepalen, zoals in een Double Pulse Test of in de toepassing zelf, willen we bijvoorbeeld met een oscilloscoop kijken naar de gate-source spanning. Laten we onderstaand voorbeeld bekijken:

Wanneer we aan de gate van LS1 meten t.o.v. de GND, kunnen we simpelweg een goedkope, standaard passieve probe gebruiken (tot ca 500 MHz) en daarmee een uitstekend meetresultaat krijgen.

Echter wanneer we aan de gate van HS1 willen meten t.o.v. M1 (het middenpunt), is het een ander verhaal. M1 beweegt namelijk op en neer tussen +V en GND en kan dus uiteraard niet met de GND worden verbonden (wat een passieve probe wel zou doen). Om toch te kunnen meten aan de gate van HS1, wordt vaak een van onderstaande methodes toegepast:

1. Een passieve probe aansluiten tussen GND en M1, en een tweede passieve probe aansluiten tussen GND en HS1, en m.b.v. de MATH functie het verschil berekenen in de oscilloscoop.

2. Een high voltage differential probe aansluiten tussen HS1 en M1.

Beide meetmethodes zullen bij SiC en GaN technologie onbruikbaar zijn en tot grote verstoringen leiden. We zullen uitleggen hoe dat komt.

CMRR

Eerder hebben we gezien dat SiC en GaN voor grote common mode (CM) verstoring zorgt, een verstoring die tegelijkertijd zowel op de GND als probe input staat. Zolang het een CM verstoring is, en deze zich niet vertaalt in een DM verstoring (differential mode, oftewel invloed krijgt op het signaal zelf), is er niets aan de hand. 

In het geval van passieve probes, moet het gehele spanningsniveau in beeld worden gebracht (tot +V) om vervolgens naar een relatief klein verschil te kijken tussen beide signalen. De ruisvloer op deze V/div instelling, en de verschillen tussen kanalen en probes onderling, zullen het signaal gemakkelijk verstoren. Daarnaast zijn vermoedelijk relatief lange verbindingen naar GND nodig om de probe aan te sluiten, wat ook zorgt voor inkoppeling van verstoring.

In het geval van de high voltage differential probe, zal de elektronica in de probe proberen om de CM zoveel mogelijk te onderdrukken, zodat enkel het signaal zelf waarin we geïnteresseerd zijn zal worden getoond. De mate waarin de probe (of differentiaalversterker die er in zit) dit kan doen, heet CMRR: Common Mode Rejection Ratio. Hoe hoger de CMRR, hoe minder last van CM storingen. 

Een typische waarde voor de CMRR van een high voltage differential probe bij een bandbreedte van 20 MHz is -40 dB (Micsig DP serie). Bij hogere frequenties wordt de CMRR lager, zo is deze nog -26 dB bij 120 MHz. Om te kunnen meten aan de high side FET (HS1) bij SiC en GaN is zowel een hoge (isolatie)spanning nodig t.o.v. GND als een hoge bandbreedte, vanwege het snelle schakelgedrag. 

Optisch geïsoleerde probe

De beste manier om aan een relatief klein signaal te meten in een omgeving met sterke verstoringen, is door middel van galvanische scheiding. Dit is een bekend concept in de communicatiewereld, maar het bestaat pas enkele jaren bij oscilloscoopprobes. Het concept is dat er een meting wordt uitgevoerd, zo dicht mogelijk bij de bron om verstoring zo weinig mogelijk kans te geven om in te koppelen, en vervolgens wordt de meting via een optische verbinding doorgegeven aan de oscilloscoop. Op deze manier is een gigantische CMRR mogelijk, tot wel 180dB bij DC en zelfs nog 108dB bij 1 GHz bij Micsig SigOFIT optisch geïsoleerde probes.

Vergelijking

Onderstaande tabel laat het verschil zien tussen -26dB en -122dB CMRR, ofwel het verschil tussen een meting op 120 MHz met een Micsig DP series high voltage differential probe, of een Micsig SigOFIT optisch geïsoleerde probe :

De verstoring als gevolg van CM zal dus praktisch weg zijn bij gebruik van optisch geïsoleerde probes. In de praktijk kan er altijd nog verstoring aanwezig zijn als gevolg van inkoppeling op de verbinding tussen probe en PCB. Hiervoor loont het om – indien mogelijk – een coaxiale verbinding op de printplaat te voorzien.

Onderstaande foto’s laten een vergelijking zien tussen de SigOFIT probe (rode trace) en de DP probe (witte trace). Deze zijn aangesloten met een zogenaamde ‘pigtail’ – een niet coaxiale verbinding, waardoor storing gemakkelijk inkoppelt. Maar dit is natuurlijk wel een real-world scenario. Zelfs in deze situatie laat de optisch geïsoleerde probe een significant mooier signaal zien.

De optisch geïsoleerde probe bestaat al langer en werd in 2016 geïntroduceerd door Tektronix (IsoVu™). Hoewel dit natuurlijk uitstekende probes zijn, kunnen ze alleen gebruikt worden met Tektronix oscilloscopes en hebben ze een stevig prijskaartje. De populaire Micsig SigOFIT probes bieden we aan sinds 2022, zijn zeer aantrekkelijk geprijsd en kunnen op ieder merk en type oscilloscope worden gebruikt. 

Vragen?

Heb je vragen naar aanleiding van dit artikel over het meten aan vermogenselektronica? Neem dan gerust contact op met een van onze specialisten.