受動プローブ・高電圧差動プローブ・光アイソレーション差動プローブの違いについて

オシロスコープで用いる 3 種類のプローブ（受動プローブ・高電圧差動プローブ・光絶縁プローブ）を比較し、を実験を通して分かりやすく解説しています。
• 測定方法の違い
• 波形に与える影響
• 高いコモンモード電圧条件での性能差
• パワーエレクトロニクス分野で光絶縁プローブが有利な理由

１. 受動プローブの制約
✔ 構造上の問題点
一般的な受動プローブは、グラウンドリードが全チャンネルで共通化（オシロ内部で接続）されています。

そのため：
• 2つの受動プローブで浮いたポイントを同時測定すると　グラウンドループが発生
• 場合によっては大電流がオシロ内部に流れ、　プローブの GND リードが焼損する危険
• 波形が本来の値と全く異なる
✔ 浮遊(ふゆう)測定の代替方法
Math 機能で差分（V1−V2）を取ることで測定は可能だが、
• 測定したい信号が小さいとノイズが極端に増える
• 高周波成分はほぼ正確に測れないという弱点があります。

2. 高電圧差動プローブの特徴
✔ メリット
• 任意の 2 点間電圧を直接測定できる
• 電圧計のような感覚で使える
• 受動プローブより便利

✔ しかし限界もある
差動プローブの実際の動作原理は、
• A 点・B 点の電圧をオシロのグラウンド基準でそれぞれ取得
• 内部で差分を演算して表示
となっています。

そのため：
• オシロと絶縁されていない
• コモンモード電圧の耐量は 2～3 kV 程度
• 高周波になるほど CMRR が悪化
• プローブ配線の取り回しで波形が大きく変わる　→ 再現性が低い

✔ 実験結果（高周波）
• 1 kHz：ほぼフラット
• 50 MHz：明確なコモンモードの影響やリンギングが発生

3. 光絶縁プローブ（Optical Isolation Probe）の構造と利点
✔ 構成（4 要素）
1. 測定チップ
2. 測定ヘッド
3. 光ファイバー
4. 受光部（BNC 接続）

✔ 光絶縁プローブの主な強み
① 完全な電気的絶縁（トゥルー・フローティング）
• 測定基準は「被測定回路側」に存在
• コモンモード電圧は 50〜60 kV 程度まで対応
（差動プローブの 10〜20 倍以上）

② 極めて高い CMRR（同相信号除去比）
高周波のコモンモード成分にも強く、波形はほぼ 0V フラットを維持。

③ 測定の再現性が高い
• 配線取り回しによる影響がほぼない
• 技量に依存せず、誰が測っても同じ結果

④ 回路への負荷が非常に小さい
• パワエレ回路への影響がほぼゼロ
• 誤動作を引き起こしにくい

4. GaN 半橋回路での実測比較
✔ 測定対象：GaN ハーフブリッジの上側 Vgs
Source 端子が 0V〜300V を高速に行き来するため、
ここは非常に高いコモンモード dv/dt ポイント。

🔶 差動プローブの場合
出力電圧を 20V → 80V → 300V と上げると、
• 振動（リンギング）が急激に増加
• 300V 条件では明らかな誤動作が発生
o Vgs 波形が乱れる
o 回路が正しくスイッチングしない
差動プローブ自身が負荷となり、回路に悪影響を与えてしまう。

🔷 光絶縁プローブの場合
• リンギング無し、非常に綺麗な Vgs
• 300V 条件でも回路は安定動作
• 測定対象への負荷が極めて小さい
• “真の波形” により近い結果を取得可能

5. 総合まとめ

項目	受動プローブ	差動プローブ	光絶縁プローブ
電気的絶縁	×	×	◎ 完全絶縁
浮遊測定	Math 必要	直接可能	直接可能
コモンモード耐量	極低	2〜3 kV	50〜60 kV
高周波 CMRR	×	△（技量依存）	◎ 非常に高い
再現性	低い	中程度	高い
測定対象への負荷	大	中	小
パワエレ用途	不適	場合により不安定	最適