Тройник смещения для широкополосного измерения силовых электронных компонентов

Примечание редактора: документ, на котором основана эта статья, был первоначально представлен на Международном симпозиуме IEEE 2021 года по электромагнитной совместимости и целостности сигналов/питания (EMC, SI & PI), где он получил признание как лучший доклад симпозиума. Он перепечатан здесь с любезного разрешения IEEE. Авторские права IEEE, 2022 г.

Во многих приложениях ЭМС необходимо охарактеризовать пассивные компоненты, чтобы обеспечить имитационные модели и физическое представление о доминирующих процессах внутри этих компонентов. Пассивные фильтры состоят из катушек индуктивности и конденсаторов, некоторые из которых представляют собой 3- или 4-выводные устройства, например синфазные дроссели. Для небольших сигналов эти компоненты можно считать линейными по отношению к напряжению и току. Однако во многих приложениях необходимо учитывать и характеризовать нелинейные эффекты. Этого можно достичь с помощью подхода с большим сигналом во временной области или путем линеаризации вокруг определенных точек смещения. Линеаризация характеристик потенциально нелинейных устройств, таких как фильтрующие индукторы или конденсаторы, требует одновременного возбуждения оценочного сигнала слабого сигнала и смещения большого сигнала, которым является ток для катушек индуктивности и напряжение для конденсаторов. Наиболее часто используемый метод основан на векторном анализаторе цепей (ВАЦ) и сети смещения для применения большого смещения сигнала.

При более высоких уровнях тока или напряжения для измерений ВАЦ необходимо использовать внешние тройники смещения. В частности, когда они охватывают широкий диапазон частот, в данном случае от 9 кГц до 500 МГц, они создают следующие проблемы:

В этой статье показаны детали конструкции линейного тройника смещения для диапазона частот 9 кГц – 500 МГц, который может выдерживать ток 10 А непрерывно или 30 А в течение 10 минут и может быть смещен до 500 В. Хотя существует бесчисленное количество публикаций о тройниках смещения. для высокочастотных применений их относительно немного в низкочастотном диапазоне, и еще меньше их подходит для высоких токов и напряжений постоянного тока. В [1] указано, что «Предлагаемый Bias-T был разработан для целевых значений IDCmax = 1 А и UDCmax = 150 В при нижней частоте fmin = 2 мГц и при текущей минимальной полосе пропускания Bmin 100 мГц», в то время как в [2] целевой диапазон частот достигает от 300 кГц до 100 мГц с максимальным постоянным током 3А. Обе публикации не содержат каких-либо соображений относительно концепции защиты, а также ориентированы на меньшую полосу пропускания и меньшие постоянные токи и напряжения. В [2] используются катушки с железным сердечником, что, вероятно, приводит к необходимости проведения нескольких калибровок для разных значений постоянного тока для учета влияния эффектов насыщения. Однако никакой информации на этот счет предоставлено не было.

Для очень низких частот также существуют интересные активные решения для тройников смещения [3], которые опять же невозможно использовать для более высоких частот. Однако тройник смещения, опубликованный в этой статье, предназначен в первую очередь для измерения кондуктивных электромагнитных излучений, для которых вполне достаточен нижний предел частоты в 9 кГц. Поэтому пассивное решение является предпочтительным.

Хотя некоторые из описанных концепций, касающихся конструкции отдельных компонентов, уже известны в литературе, насколько известно авторам, публикаций о таком составе для конструкции диагонального тройника пока нет. Особым преимуществом этой специальной формы тройника смещения является возможность использования для определения характеристик силовых электронных компонентов при слабых сигналах при сохранении высоких токов и напряжений смещения при больших сигналах. Измеряя S-параметры различных силовых электронных компонентов и измеряя изменения, вызванные смещением, в широком диапазоне частот, можно легко получить ценные данные для моделирования поведения этих компонентов при большом смещении сигнала. Измерения этой конфигурации показывают хорошие результаты в отношении важных свойств тройника, таких как вносимые потери, обратные потери и температурное поведение.

На рисунке 1 показаны четыре общих тройника смещения, состоящие из блочного конденсатора постоянного тока и ВЧ-развязывающего индуктора. В этой конструкции сохраняется общая топология бис-тройника. Основной задачей является проектирование компонентов с необходимыми значениями индуктивности, емкости, напряжения и тока и их физическое расположение в тройнике смещения таким образом, чтобы четыре из этих тройников смещения можно было скомпоновать для формирования 4-портовой измерительной системы, как показано. Схема предлагаемого тройника смещения показана на рисунке 2 и подробно обсуждается в следующих разделах.