Snelle flanken, hoge stroomsterkte: stroomprobes voor SiC en GaN
Waarom een stroomsonde voor een oscilloscoop zowel een grotere bandbreedte als een hogere bruikbare frequentie nodig heeft om gelijke tred te houden met moderne vermogenshalfgeleiders, en hoe de nieuwe HIOKI CT6704 en CT6705 hierin voorzien.
Snel genoeg voor steile flanken
Schakelprocessen in SiC- en GaN-componenten verlopen zo snel dat een sonde deze alleen natuurgetrouw kan weergeven als de bandbreedte ervan ver boven de basisfrequentie ligt. De CT6704 vervangt de 3274, de CT6705 de 3275, en de sprong in bandbreedte is groot.
De CT6704 bestrijkt DC tot 30 MHz bij een stijgtijd van 11,6 ns, terwijl de 3274 DC tot 10 MHz bij 35 ns haalde. De CT6705 bestrijkt DC tot 15 MHz bij 23,3 ns, tegenover DC tot 2 MHz en 175 ns bij de 3275. Dat is bij de ene ongeveer de drievoudige bandbreedte en bij de andere meer dan zeven keer zo groot – en dienovereenkomstig kortere stijgtijden. Bij een echt signaal is dat het verschil tussen de flank zelf en een benadering daarvan.
Nominale stroom tot ver in het kilohertz-bereik
Stroomsondes hebben nog een tweede beperking, en die heeft velen ertoe aangezet om over te stappen op een sonde met een hogere nominale stroom, die dan meestal minder bandbreedte bood: de derating. Naarmate de frequentie toeneemt, kan een sonde niet langer haar volledige nominale stroom dragen, omdat ze anders te heet zou worden. De toegestane waarde daalt dus naarmate de frequentie hoger wordt. Dit komt door warmte, meer bepaald door de wervelstromen die door hoogfrequente stromen in het metaal van de sonde worden opgewekt.
Bij de oudere sondes lag deze grens verrassend laag. De 3274 behield zijn volledige nominale stroom slechts tot iets boven 100 Hz, voordat de curve begon af te vallen; de 3275 haalde 400 Hz. Voor moderne, snel schakelende vermogenselektronica is dat veel te laag: de schakelfrequenties liggen al lang ver daarboven, in een bereik waarin de oude sonde nog maar een fractie van haar nominale stroom kon verwerken. De gebruikelijke oplossing was een model met een hogere nominale waarde, dat echter meestal een kleinere bandbreedte en daarmee een langzamere stijgtijd met zich meebracht. Men kocht stroom en betaalde met snelheid.
De CT6704 en CT6705 lossen dit op via een magnetisch en thermisch ontwerp dat de interne opwarming bij hoge frequenties laag houdt. Bij kamertemperatuur behoudt de CT6704 zijn volledige nominale stroom tot 100 kHz en de CT6705 tot 10 kHz, terwijl de voorgangers het al bij iets meer dan respectievelijk 100 Hz en 400 Hz begaven.
Het tempo blijft hetzelfde, de drift gaat door
De 3274 en 3275 registreerden de gelijkstroom- en laagfrequente componenten met een Hall-element. Dat is een halfgeleider, en zijn evenwicht verschuift met de temperatuur: als de sonde warmer wordt, verschuift de nullijn. En een sonde wordt al snel warm. Bijvoorbeeld in een warme omgeving, dicht bij de vermogenselektronica die in de loop van de tijd opwarmt, en vooral door hoogfrequente signaalcomponenten die de sonde van binnenuit verwarmen. De gemeten gelijkstroom daarentegen verwarmt de sonde nauwelijks: deze is niet de oorzaak van de drift.
De CT6704 en CT6705 vervangen het Hall-element door een fluxgate, zonder daarbij de hoge bandbreedte op te geven die voor deze sondes van cruciaal belang is. Integendeel: bij de nieuwe sondes is deze zelfs aanzienlijk hoger. En de fluxgate biedt zijn eigenlijke sterkte: een nullijn die nauwelijks nog met de temperatuur meebeweegt. Concreet betekent dit ongeveer 90 % minder gelijkstroomdrift, voor het eerst bij een oscilloscoop-stroomsonde een offset-temperatuurcoëfficiënt in het gegevensblad (±0,1 mV/°C), en een bedrijfstemperatuurbereik van −10 tot +50 °C in plaats van 0 tot 40 °C.
Het is hetzelfde meetprincipe als bij de precisiesensoren van onze vermogensanalysatoren, een beproefde detector die nu ook is verwerkt in een uitklapbare sonde met standaard-BNC-stekker. (Waar de ietwat eigenzinnige naam „Zero-Flux“ eigenlijk vandaan komt, hebben we elders verteld – met een kleine uitweiding naar „Terug naar de toekomst“.)
Toch een proefopstelling voor vermogensmeting?
Een voor de hand liggende vraag: als de oscilloscoop toch al stroom en spanning meet, waarom zou je dan niet meteen het vermogen daaruit laten berekenen? Het antwoord vereist enige zorgvuldigheid, want 'vermogen meten op de oscilloscoop' valt uiteen in twee heel verschillende zaken.
Ten eerste zijn er de schakelverliezen bij de halfgeleider, de energie die bij elk in- en uitschakelen verloren gaat. Hier is de oscilloscoop ongeëvenaard: hij registreert flanken die de bandbreedte van een vermogensanalysator niet kan volgen, en precies daarvoor zijn de CT6704 en CT6705 gebouwd.
Het tweede is de vermogensbalans over een gehele schakeling: rendement, totale verliezen, wat erin gaat ten opzichte van wat eruit komt. Dat kan een oscilloscoop met hoge resolutie ook berekenen. De fase tussen stroom en spanning is daarbij doorslaggevend, en wel des te meer naarmate de vermogensfactor kleiner is, waarbij zelfs een minuscule fasefout het werkvermogen aanzienlijk vertekent. Daarom hoort nauwkeurige vermogensmeting thuis bij een vermogensanalysator met sensoren waarvan de faseverschuiving over het relevante frequentiebereik zo constant mogelijk blijft; voor de hoogste nauwkeurigheid bij een doorgangstransformator zoals de CT6904A. De CT6705 stelt andere prioriteiten: een natuurgetrouwe flank en een snelle stijgtijd. Voor nauwkeurige wisselstroomvermogensmetingen is hij daarentegen niet ontworpen. (Waarom de fase bij vermogensmetingen allesbepalend is, hebben we in een apart artikel uitgelegd.)
