ダブルパルステストにおいて光アイソレーションプローブが不可欠な理由

背景

　シリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などのワイドバンドギャップ（WBG）半導体材料は、高温・高電圧耐性に優れているだけでなく、低損失や高速スイッチング周波数などの特性も備えています。しかし、これらの先進材料の可能性を最大限に引き出すためには、正確なテストおよび測定技術が不可欠です。特に、ダブルパルステストにおいて、光アイソレーションプローブはテストプロセスの安全性を確保するだけでなく、測定の精度と信頼性を向上させます。この記事では、ダブルパルステストにおいて光アイソレーションプローブがなぜ不可欠なのかを探ります。

ダブルパルステストとは？

　ダブルパルステスト（DPT）は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）や金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）などのパワーエレクトロニクスデバイスのスイッチング性能を評価するための実験手法です。このテストでは、デバイスに2つの短時間の電圧パルスを印加し、実際の回路でのスイッチング動作をシミュレートします。これにより、デバイスのスイッチング特性を測定・分析し、デバイスの駆動およびアプリケーション設計を最適化し、故障診断やシミュレーションモデルの検証を行います。

DPTにおけるオシロスコープとプローブの選択

　MOSFETのハーフブリッジゲートドライバ回路の例では、下段MOSFETのVds、Id、Vgsをテストするだけでなく、上段MOSFETのVgsも観察する必要があります。MicsigのMHO高解像度オシロスコープシリーズは、500MHzの帯域幅、3GSa/sのサンプリングレート、≤1%の精度を備え、4つのチャンネルすべてが上下段MOSFETのスイッチを同時に観察できるため、DPT（ダブルパルステスト）のテスト要件を完璧に満たします。

Id波形を正確に測定するためには、使用する電流プローブが十分な帯域幅を持っていることが重要です。Micsigの高周波AC/DC電流プローブCPシリーズは、最大100MHzの帯域幅、1%以内の精度、1mAの分解能を備え、最大30Aの測定をサポートします。より大きな電流を測定する必要がある場合、ロゴスキーACプローブRCPシリーズを使用できます。

しかし、多くのユーザーは次のような疑問を持つかもしれません：「MicsigのDPシリーズ高電圧差動プローブは、シリコンデバイスのテストで良好な性能を発揮し、500MHzの帯域幅で7000Vまでの電圧を測定できました。GaNやSiCデバイスに切り替えた場合、理論的にはこれらのデバイスの帯域幅要件を満たすはずです。下段MOSFETのテストは可能ですが、なぜ上段MOSFETの電圧をテストする際に常に問題が発生するのでしょうか？」

SiCとGaNのスイッチング時間

　

上記の図のデータを分析・比較すると、SiCとGaNのスイッチはどちらもナノ秒単位のスイッチング速度を達成していることがわかります。この大きな利点はスイッチング電源のエネルギー消費を削減しますが、テストにおいても大きな課題を提起します。ハーフブリッジ回路では、上段MOSFETのVgsはVds電圧のON/OFFの間に浮動し、わずか数ナノ秒でゼロボルトから数千ボルトに変化する可能性があります。高電圧と高周波の組み合わせにより、高次高調波成分が大幅に増加します。テスト対象デバイスの差動電圧Vgsは通常数十ボルトしかなく、Vdsの高次高調波成分からのコモンモード干渉を大きく受けます。測定時には、このコモンモード干渉を可能な限り抑制する必要があります。これにより、テスト機器は高周波範囲でも高い**共モード除去比（CMRR）**を維持する必要があります。

　DPシリーズを例にとると、100kHzではCMRRは>-70dB、20MHzではCMRRは>-40dB、120MHzではCMRRは>-26dBです。差動プローブにとって、このCMRRは業界内で優れているとされていますが、高周波での上段MOSFETのゲート-ソース電圧（Vgs）を測定するための要件を満たすにはまだ不十分です。高周波範囲でも非常に高いCMRRを維持するデバイスが必要です。

高電圧差動プローブと光アイソレーションプローブの比較

　CMRRがテストに与える影響について、高電圧差動プローブがテスト中に引き起こす問題と、高いCMRRを持つプローブの比較を見てみましょう。

テスト方法：テスト対象デバイスは、約500VのVce電圧で動作するSiCスイッチです。高電圧差動プローブ（Micsig DP）と光アイソレーションプローブ（Micsig SigOFIT）を同時に上段Vge信号に接続し、ダブルパルステストを行います。

　

上記の図はテスト結果を示しています。白色の信号は高電圧差動プローブの結果で、Vgeの立ち上がりエッジで深刻な振動が発生し、元の波形をほとんど識別できないことがわかります。以前、Vce電圧が800Vに達するデバイスの上段ゲート（Vge）信号を高電圧差動プローブでテストした際、振動がSiCのターンオフ電圧を超え、エンジニアの評価に大きな影響を与えました。

　

一方、図中の赤色の波形は光アイソレーションプローブを使用した結果で、信号干渉が大幅に減少しています。光アイソレーションプローブを単独で使用した場合、ほとんど干渉はありません。ここで観察された干渉は、高電圧差動プローブが光アイソレーションプローブに影響を与えたためです。実際、光アイソレーションプローブは高電圧差動プローブに比べてベースラインノイズが低く、より高い精度と大きなコモンモード電圧を測定する能力を提供します。これはどのように実現されているのでしょうか？

光アイソレーションプローブの利点

　Micsigの独自技術であるSigOFIT™は、テスト前にテスト対象の信号サイズに適した減衰器を選択し、±0.01Vから±6250Vまでの差動モード信号をフルスケールでテストできるようにします。広範囲のテストに適応しながら、テスト精度（最大1%）を向上させ、ノイズフロアを低減し、信号対雑音比（SN比）を改善します。

　

SigOFIT光アイソレーションプローブの主要仕様は以下の通りです：

帯域幅：最大1GHz
ノイズ：0.45mVrms以内
1GHz周波数範囲でもCMRRは100dB以上

　したがって、光アイソレーションプローブを使用して上段Vgsを測定する場合、コモンモード干渉の影響を考慮する必要はなく、高電圧差動プローブのCMRR不足の問題を完全に解決します。

さらに、差動プローブのリード線の長さ（通常約20cm）により、外部磁界干渉をアンテナのように拾い上げることがあります。GaNの非常に高速なスイッチング速度を考えると、生成される磁界が高電圧差動プローブの入力を通るときに振動を誘発し、場合によってはGaNデバイスの瞬時の焼損や爆発を引き起こす可能性があります。一方、光アイソレーションプローブは、非常に短いリード線を持つMCXまたはMMCX接続を使用し、アンテナ効果を事実上排除します。寄生容量は数pF以内であり、テスト中の寄生効果による安全上の危険を効果的に排除します。