Mesure sans interférence sur SiC/GaN avec une sonde optiquement isolée

Marijn Hummelink

Copropriétaire d'Eleshop

Dernière mise à jour : 5 août 2025

Dans cet article, nous vous expliquons comment utiliser les sondes optiques Micsig SigOFIT pour effectuer des mesures sans interférence sur les technologies SiC et GaN, par exemple dans les convertisseurs CC/CC, les onduleurs et les variateurs de vitesse.

Qu'est-ce que le SiC et le GaN ?

Le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) sont des matériaux semi-conducteurs modernes utilisés comme alternative économe en énergie au silicium traditionnel. En général, le SiC est couramment utilisé pour les tensions et les puissances élevées (comme dans les voitures électriques et les batteries solaires/domestiques), tandis que le GaN est plus souvent utilisé dans les applications compactes à haute fréquence (telles que les chargeurs USB-C puissants). Les transistors SiC et GaN ont des pertes de commutation très faibles, ce qui rend la conception beaucoup plus efficace.

Quels sont les défis à relever ?

Ces faibles pertes de commutation sont dues à une charge de grille réduite (Qg), qui permet au SiC/GaN de s'allumer et de s'éteindre très rapidement. Cela entraîne une variation de dérivée par seconde (dv/dt) considérable lorsqu'une tension supérieure à 1 000 V est ramenée à 0 V en quelques nanosecondes (et inversement). Cette combinaison de haute tension et de haute fréquence génère beaucoup d'énergie harmonique d'ordre élevé. Cette énergie se manifeste sous la forme d'interférences en mode commun (CM). Bien que cela pose également des défis en matière de conception du produit, nous nous concentrerons dans cet article sur la mesure d'un tel circuit.

Techniques de mesure

Lorsque nous souhaitons déterminer les pertes de commutation d'un MOSFET, par exemple dans le cadre d'un test à double impulsion ou dans une application réelle, nous observons généralement la tension grille-source à l'aide d'un oscilloscope. Veuillez examiner l'exemple ci-dessous :

Lorsque vous effectuez des mesures au niveau de la porte LS1 par rapport à GND, vous pouvez simplement utiliser une sonde passive standard peu coûteuse (jusqu'à environ 500 MHz) et obtenir un excellent résultat de mesure.

Cependant, lorsque nous souhaitons effectuer des mesures au niveau de la porte HS1 par rapport à M1 (le point médian), la situation est différente. M1 oscille entre +V et GND et ne peut donc pas être connecté à GND (ce que ferait une sonde passive). Afin de pouvoir mesurer la porte de HS1, l'une des méthodes suivantes est fréquemment employée :

1. Veuillez connecter une sonde passive entre GND et M1, et une deuxième sonde passive entre GND et HS1, puis utilisez la fonction MATH de l'oscilloscope pour calculer la différence.

2. Connectez une sonde différentielle haute tension entre HS1 et M1.

Les deux méthodes de mesure ne seront pas applicables aux technologies SiC et GaN et entraîneront des perturbations importantes. Nous allons vous expliquer pourquoi.

CMRR

Nous avons précédemment constaté que le SiC et le GaN génèrent d'importantes interférences en mode commun (CM), une perturbation présente simultanément sur la masse (GND) et l'entrée de la sonde. Tant qu'il s'agit d'interférences CM et qu'elles ne se traduisent pas par des interférences DM (mode différentiel, c'est-à-dire affectant le signal réel), il n'y a pas de problème. 

Dans le cas des sondes passives, il est nécessaire d'afficher l'ensemble du niveau de tension (jusqu'à +V) afin de pouvoir ensuite observer une différence relativement faible entre les deux signaux. Le bruit de fond à ce réglage V/div, ainsi que les différences entre les voies et les sondes, peuvent facilement déformer le signal. De plus, des connexions relativement longues à la masse sont généralement nécessaires pour connecter la sonde, ce qui entraîne également un couplage des interférences.

Dans le cas d'une sonde différentielle haute tension, les composants électroniques à l'intérieur de la sonde tenteront de supprimer autant que possible le CM, de sorte que seul le signal d'intérêt soit affiché. La capacité de la sonde (ou de l'amplificateur différentiel qu'elle contient) à accomplir cette tâche est appelée CMRR : Common Mode Rejection Ratio (Taux de réjection en mode commun). Plus le CMRR est élevé, moins l'impact des perturbations CM est important. 

La valeur CMRR typique d'une sonde différentielle haute tension à une bande passante de 20 MHz est de -40 dB (série Micsig DP). À des fréquences plus élevées, le CMRR diminue, par exemple il n'est que de -26 dB à 120 MHz. Pour mesurer le FET côté haut (HS1) avec SiC et GaN, une tension élevée (isolation) par rapport à la masse et une large bande passante sont nécessaires, en raison du comportement de commutation rapide. 

Sonde optiquement isolée

La meilleure méthode pour mesurer un signal relativement faible dans un environnement présentant de fortes interférences consiste à utiliser une isolation galvanique. Il s'agit d'un concept bien connu dans le domaine des communications, mais il n'existe que depuis quelques années pour les sondes d'oscilloscope. Le concept consiste à effectuer la mesure aussi près que possible de la source afin de minimiser les interférences, puis à transmettre la mesure via une liaison optique à l'oscilloscope. De cette manière, il est possible d'obtenir un CMRR exceptionnel, pouvant atteindre 180 dB en courant continu et encore 108 dB à 1 GHz avec les sondes optiquement isolées Micsig SigOFIT.

Comparaison

Le tableau ci-dessous présente la différence entre un CMRR de -26 dB et un CMRR de -122 dB, ou en d'autres termes, la différence entre une mesure à 120 MHz avec une sonde différentielle haute tension de la série DP de Micsig et une mesure avec une sonde optiquement isolée SigOFIT de Micsig :

Les perturbations résultant du CM seront donc pratiquement éliminées lors de l'utilisation de sondes optiquement isolées. Dans la pratique, il peut toujours y avoir des interférences dues au couplage sur la connexion entre la sonde et le circuit imprimé. Pour cette raison, il est recommandé, dans la mesure du possible, de prévoir une connexion coaxiale sur le circuit imprimé.

Les photos ci-dessous montrent une comparaison entre la sonde SigOFIT (tracé rouge) et la sonde DP (tracé blanc). Elles sont reliées par ce qu'on appelle un « pigtail », une connexion non coaxiale qui facilite le couplage. Cependant, il s'agit bien sûr d'un scénario réel. Même dans cette situation, la sonde optiquement isolée affiche un signal nettement plus clair.

La sonde optiquement isolée existe depuis plus longtemps et a été introduite en 2016 par Tektronix (IsoVu™). Bien qu'il s'agisse d'excellentes sondes, elles ne peuvent être utilisées qu'avec les oscilloscopes Tektronix et leur prix est élevé. Les sondes Micsig SigOFIT, très appréciées, sont disponibles depuis 2022, sont proposées à des prix très compétitifs et peuvent être utilisées avec toutes les marques et tous les types d'oscilloscopes. 

Questions ?

Si vous avez des questions concernant cet article sur la mesure de l'électronique de puissance, n'hésitez pas à contacter l'un de nos spécialistes.