TF2000 プローブ遅延測定器

・業界初、電流・電圧プローブ単体の絶対遅延パラメータを高精度に測定できる測定器
・業界初、広帯域同軸シャントを高精度遅延基準として用いる方式
・最高パルス電圧700V、最大パルス電流30A、高電圧・大電流プローブの遅延パラメータを測定可能
・パルス立ち上がり時間は最短15ns、遅延測定精度が高い
・2つの電流・電圧プローブ間の相対遅延を測定可能

パワーエレクトロニクス技術の分野において、パワーデバイスのオン損失EONおよびオフ損失EOFFを正確に測定するためには、電流プローブと電圧プローブ間の相対的な遅延パラメータ（スキュー）を極めて正確に取得し、それをオシロスコープの対応するチャンネルに入力して遅延補償を行う必要があります。そうしないと、オシロスコープがEONおよびEOFFを計算する際に大きな誤差が生じます。

TF2000は、デジタル制御高電圧電源、MOSFET、無誘導抵抗、同軸シャント、制御モジュール、タッチパネルなどの主要コンポーネントをすべて統合した、ポータブルな電流・電圧プローブ遅延測定器です。

本測定器の革新点は、遅延パラメータを測定せずに物理的に計算できる広帯域同軸シャントを、高精度な遅延基準チャンネルとして回路内に追加した点にあります。これまでは、業界において、遅延パラメータの測定を必要としない電流または電圧センサを遅延基準センサとして用いる方法は見つかっていませんでした。

TF2000は、業界で初めて、高電圧（700V）・大電流（30A）の条件下で、単一の電流・電圧プローブの絶対遅延パラメータを測定することを実現し、2つの電流・電圧プローブ間の相対遅延も測定可能です。

電流・電圧プローブの絶対遅延パラメータとは、特定の電流または電圧プローブにおいて、入力から出力までの遅延パラメータを指します。この遅延パラメータは、電流・電圧プローブの回路構造と信号ケーブルの長さによって生じます。プローブメーカーは、各モデルごとに標準的な絶対遅延パラメータを提示しています。しかし、ユーザーが入力信号線や出力同軸ケーブルを変更した場合は、絶対遅延パラメータを再測定する必要があります。

TF2000は、視覚的なUIソフトウェア制御インターフェースを通じて、無誘導抵抗の抵抗値を設定し、出力パルス電圧の大きさ（最大700V）を調整できます。ワンクリックで電流・電圧パルスの出力を簡単にトリガでき、電流・電圧プローブの遅延測定を実現します。

TF2000の全体サイズはわずか170×145×100mmで、持ち運びやデモンストレーションに非常に便利です。

パワーデバイスのオン損失EONおよびオフ損失EOFFを測定する計算方法は、まず電圧と電流の波形を乗算して損失電力曲線を得て、その後、オンまたはオフ期間中の電力を積分することでEON/EOFFを求めるものです。MOSFETの導通期間中の電力を積分すると、導通損失が得られます。

以下の測定事例では、電圧プローブと電流プローブの正確な相対遅延7nsをオシロスコープの対応するチャンネルに入力し、遅延補正を行いました。その結果、オシロスコープは正確なオン損失EON=535uJを算出しました。

CH1：テスト項目 ID／プローブの種類 同軸シャント／プローブ型番 CSD01M20／1メートルの同軸ケーブルによる遅延 5.2ns／同軸シャント本体の遅延（長さ30mm） 0.1ns／電圧・電流プローブの相対遅延 0

CH2：テスト項目 VDS2／プローブの種類 高電圧差動プローブ／プローブ型番 DP6150／1メートルの同軸ケーブルによる遅延 5.2ns／高電圧差動プローブ本体の遅延 7.1ns／電圧・電流プローブの相対遅延 +7ns

絶対遅延パラメータを測定する基本原理は、遅延を測定または相殺できる基準チャンネルを見つける必要があるということです

1台のファンクションジェネレータの2つのチャンネルCH1、CH2を用いて、同位相の2つの方形波信号を生成し、一方の信号を同軸ケーブル1を介してオシロスコープの第1チャンネルに接続します。もう一方の信号は、同軸ケーブル2を介して、電圧プローブまたは電流プローブに接続されたテスト治具（テスト治具は電圧信号を電流信号に変換する装置）に接続します。同軸ケーブル1と同軸ケーブル2の長さは同じであるため、遅延も同一となります。したがって、オシロスコープのCH1入力端子に入力される方形波信号と、差動プローブの入力端子に入力される方形波信号は同位相であり、つまり両者の間には遅延が存在しません。

測定対象の電圧プローブまたは電流プローブの出力をオシロスコープの第2チャンネルに接続します。すると、オシロスコープの第1チャンネルと第2チャンネルの方形波波形の間にある時間差が、測定対象の電圧プローブまたは電流プローブ自体の絶対遅延となります。

この方法の最大の欠点は、ファンクションジェネレータが生成する方形波信号の振幅が一般的に+-10Vしかなく、電流プローブ測定治具で生成される電流も+-0.2Aしかないことです。これほど小さな電流・電圧信号では、高電圧差動プローブ（700V～7000V）や電流プローブ（30A～10000A）を測定する際、オシロスコープ上の信号振幅が小さすぎるため、測定精度が大幅に低下し、場合によっては測定そのものが不可能になります。

電圧・電流プローブの相対遅延パラメータを測定する鍵は、完全に同期した2つの電圧および電流パルス信号を生成することにあります。これは、無誘導の高電力抵抗に高電圧（数百Vに達することもある）のパルス電圧を印加することで実現できます。Q1が導通すると、無誘導の高電力抵抗Rの両端における電圧パルスと電流パルスは完全に同期します。したがって、オシロスコープ上の電圧プローブと電流プローブの2つの波形の遅延差が、2つのプローブ間の相対遅延パラメータ（スキュー）となります。

CYBERTEKのDF6800オフセット校正治具は、このようにして2つの電圧・電流プローブ間の相対遅延パラメータ「スキュー（skew）」を測定します。

この方法の欠点は、特定のプローブの絶対遅延パラメータを提供できないことです。なぜなら、各電流または電圧プローブの絶対遅延パラメータが分かっていれば、2つのプローブ間の相対遅延パラメータ「スキュー」を直接計算できるからです。プローブ同士を2つずつ組み合わせて、手間をかけて相対遅延パラメータ「スキュー」を測定する必要はありません。

ユーザーはタッチパネル上で高電圧パルスの電圧振幅を設定できます。ユーザーがトリガボタンを押すと、MOSFETが導通し、無誘導抵抗に高電圧パルス（最大で数百ボルト）が発生します。同時に、完全に同期した電流パルス信号も発生します。無誘導抵抗であるため、この抵抗にかかるパルス電圧Uとパルス電流Iは同位相であり、つまりパルス電圧波形とパルス電流波形には遅延が生じません。

同軸シャントは筒状の抵抗体で構成されており、構造は非常に単純で、全長も一般的に30mm程度と短いです。真空中の電磁波の伝播速度に基づくと、30mmの遅延時間はt1=0.1nsとなります。これは、一般的な電流・電圧プローブの遅延パラメータである10nsと比較して、ほぼ無視できる程度です。また、同軸シャントの帯域幅は2GHzに達し、高速パルス電流信号を歪みなく出力電圧信号に変換することができます。パルスの立ち上がりエッジと立ち下がりエッジは非常に正確であり、遅延測定に有利です。

具体的な測定方法：

同軸シャントのパルス信号をオシロスコープの第1チャンネルに入力し、測定対象の電流または電圧プローブのパルス信号をオシロスコープの第2チャンネルに入力します。TF2000の無誘導抵抗にかかるパルス電圧Uとパルス電流Iは同位相であるため、オシロスコープに表示される遅延差は、これら2つのプローブ間の遅延差となります。また、同軸シャントのチャンネルの遅延パラメータは、測定を必要とせず物理的に計算できるため、これにより、もう一方の被測定電流または電圧プローブの遅延パラメータを測定することができます。

CSD同軸シャントで検出されたパルス電流信号は、同軸ケーブル1を介してオシロスコープの第1チャンネルに入力されます。同軸シャントの遅延はt1=0.1nsです。同軸ケーブル1の遅延はt3です。したがって、パルス電流信号がオシロスコープの第1チャンネルに到達するまでの総遅延はt1 +t3となります。被測定の電圧プローブまたは電流プローブの出力信号は、同軸ケーブル2を通じてオシロスコープの第2チャンネルに入力されます。被測定電圧または電流プローブの絶対遅延はt、同軸ケーブル2の遅延はt4であるため、被測定のパルス電圧または電流信号がオシロスコープの第2チャンネルに到達するまでの総遅延はt +t4となります。

オシロスコープ上で測定された第1チャンネルのパルス信号が、第2チャンネルのパルス信号より先行する時間差をt2と仮定します。

t2= t +t4-（t1 +t3）= t +t4-t1 -t3

したがって、測定対象の電圧または電流プローブの絶対遅延はt= t2+t1+（t3 -t4）となります。

以下の2つのケースが考えられます：

1. 同軸ケーブル1および2に、本機器に付属する遅延時間が完全に等しい2本の同軸ケーブルを使用した場合：t3 =t4

測定対象の電圧・電流プローブの絶対遅延はt=t2+0.1nsとなります。

2. 同軸ケーブル1に、本機器に付属する遅延パラメータがt3=5.2nsであることが既知の同軸ケーブルを使用し、同軸ケーブル2に遅延パラメータt4が未知の同軸ケーブルを使用する場合：

この場合、被測定電圧または電流プローブ＋同軸ケーブル2の合計絶対遅延はt+ t4= t2+t1+t3 = t2+5.3nsとなります。

2つの電流・電圧プローブの相対遅延パラメータの測定は比較的簡単で、測定対象の2つのプローブを本装置に接続するだけです。オシロスコープ上で測定された第1チャンネルのパルス信号と第2チャンネルのパルス信号の遅延差が、2つのプローブの相対遅延パラメータとなります。

測定対象の電流または電圧プローブを接続し、同軸ケーブルでオシロスコープの2つのチャンネルに接続します。

差動プローブは、本機の4mm赤・黒バナナソケットに直接差し込むことができます。

電流プローブは、無誘導抵抗に直接クランプできます。

TF2000に24V電源アダプタを接続すると、本装置のタッチパネルが起動し、動作状態になります。

使用する無誘導抵抗の抵抗値を設定します。

必要なパルス電圧を設定すると、本装置は使用する無誘導抵抗の抵抗値に基づいて、出力パルス電流のピーク値を自動的に表示します。

ONボタンを押すと、高電圧電源が電圧を出力します。

TRIGボタンを押すと、本装置はパルス幅2usの同期したパルス電圧およびパルス電流を出力します。

オシロスコープで2つのチャンネルの遅延を測定し、被測定プローブの遅延パラメータを算出します。

オシロスコープに表示される同軸シャントチャンネルのパルス電流波形は、高電圧差動プローブのパルス電圧波形よりt2=6.4ns先行しています。同軸ケーブル1および2には、本装置に付属する、遅延時間が完全に等しい2本の同軸ケーブルを使用しています。したがって、測定対象の高電圧差動プローブ本体の絶対遅延時間は：

t=t2+0.1ns=6.5ns

したがって、測定対象の高電圧差動プローブ本体に、遅延パラメータが5.2nsの同軸ケーブルを加えた場合の総遅延は11.7nsとなります。