Praxistipps von Texas Instruments Signale mit hohen Frequenzen und Spannungen messen

Hochspannungsschaltungen, die schnelle Bauelemente wie etwa Leistungs-MOSFETs auf GaN- oder SiC-Basis enthalten, stellen die Entwickler von Leistungswandler-Systemen vor einige messtechnische Herausforderungen. Texas Instruments gibt praktische Tipps für den Entwurf effizienter Prüfschaltungen.

GaN-FETs für niedrigere Spannungen unter 100 V lassen sich in nur 1 ns schalten, wenn sie sinnvoll mit Gate-Treibern niedriger Induktivität kombiniert werden. Hochspannungs-GaN-FETs für 600 V und SiC-FETs für noch höhere Spannungen (1200 V) können in Verbindung mit einem speziellen, induktivitätsarmen Layout und mit Hochstrom-Treibern mit bis zu 1 MHz geschaltet werden, wobei sie Anstiegs- und Abfallzeiten unter 20 ns erreichen. 

Beim Testen solcher Designs ist es eine Herausforderung, diese Hochspannungs-Schaltungen sicher und unter Einhaltung der Standards für Umweltschutz, Sicherheit und Gesundheit manuell zu testen. Eine weitere Überlegung betrifft die Notwendigkeit, das Personal vor dem Kontakt mit den unter Strom stehenden Bereichen zu schützen, sei es durch isolierende Schutzbarrieren oder durch persönliche Schutzausrüstungen wie Gummihandschuhe oder Augenschutz. Diese Sicherheitsaspekte machen das Prüfen noch schwieriger. 

In diesem Artikel von Texas Instruments geht es um eine Reihe von Prüfschaltungen für hohe Frequenzen und Spannungen sowie darum, mit welchen Methoden sich die Leistungsfähigkeit der Tastköpfe messen lässt. Dabei soll demonstriert werden, wie sich hohe Spannungen mit hoher DC-Genauigkeit und exakter Wiedergabe des Signalverlaufs auf Signale mit ungefährlichem Pegel reduzieren lassen, die dann mit Koaxialkabeln an 50-Ω-Equipment weitergeleitet werden können. 

Allgemeines zur Messtechnik

Misst man die Spannung einer Schaltung, resultiert daraus eine ohmsche und kapazitive, bei hohen Frequenzen außerdem eine induktive Belastung. Diese Belastung der Schaltung hat außerdem zur Folge, dass das ursprüngliche Signal durch Verzerrungen und Oszillationen verfälscht wird. Diese Problematik erinnert an die Heisenbergsche Unschärferelation. Bei dieser geht es zwar um die Quantennatur von Ort und Impuls eines Elektrons, doch werden darüber hinaus auch grundsätzliche wissenschaftliche Aspekte der elektrischen Messtechnik deutlich. Die entscheidende Schlussfolgerung lautet dabei, dass jeder Versuch, einen Strom oder eine Spannung zu messen, die betreffende Größe zwangsläufig verändert. 

Durch das Messen eines Stroms mit einem Stromtastkopf vergrößern sich die Fläche der Stromschleife und die Induktivität. Hinzu kommen Verzerrungen und zeitliche Verzögerungen, die das Abschätzen der momentanen Verlustleistung (U  I) erschweren. Ein häufig angewandtes Verfahren ist das Messen von Strömen anhand des Spannungsabfalls an einem niederohmigen Shunt-Widerstand. Wenn die Frequenzen allerdings über 10 MHz liegen oder Anstiegs- und Abfallzeiten unter 30 ns vorkommen, muss auch die Induktivität dieses Widerstands beachtet werden. Bei den im Megahertz-Bereich liegenden Schaltfrequenzen und entsprechend kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten, die mit Leistungswandlungs-Schaltungen auf der Basis von Bausteinen mit großer Bandlücke möglich sind, lohnt es sich, Tastkopfschaltungen und einige ihrer Grenzen noch einmal unter die Lupe zu nehmen.

Bild 1 zeigt das vereinfachte Schaltbild eines 10:1-Oszilloskoptastkopfs (10 MΩ; 500 MHz). Die Widerstände R10, R11 und R12 ergeben an der Tastkopfspitze einen Widerstand von 9 MΩ in Parallelschaltung mit einem variablen Kompensations-Kondensator (C7). Bei 0 Hz wird das Teilerverhältnis von 10:1 durch den DC-Eingangswiderstand (R13) des Oszilloskops von 1 MΩ und den 9-MΩ-Widerstand in der Tastkopfspitze erreicht. Um bei Spannungsmessungen eine Genauigkeit von 1 % oder besser zu erreichen, darf die zu messende Schaltung eine Quellimpedanz von höchstens 100 kΩ aufweisen. Aktive Tastköpfe haben möglicherweise höhere Eingangsimpedanzen, können aber in der Regel nur Spannungen im zweistelligen Voltbereich messen.