駕馭寬能隙半導體的 EMI 挑戰：從源頭進行設計優化
- Sonya Chan
- 10月5日
- 讀畢需時 4 分鐘
由於交換速度的不斷提升，電磁干擾（EMI（Electromagnetic Interference））相容性正成為先進電力電子領域的一個主要關注點，透過時頻關聯量測，有助於在開發初期就優化閘極驅動，並將電磁輻射降至最低。
測試任務
採用碳化矽（SiC）與氮化鎵（GaN）等寬能隙材料，能夠實現高交換頻率、陡峭的上升邊緣以及高電壓操作，這些特性雖然提升了交換式電源供應器的效率，但也讓 EMI 相容性變得更具挑戰性，在開發階段，遵循降低 EMI 的設計準則，與測試並優化 EMI 相容性同等重要。
Rohde & Schwarz 解決方案
示波器是支援電氣工程師日常任務的強大工具，現今示波器的靈敏度與效能，已能夠在產品設計階段執行 EMI 優化任務，直接輸入頻率與解析度頻寬，以及快速的波形更新率，是 Rohde & Schwarz 示波器的實用特點。
搭配用於 E-場與 H-場近場量測的 R&S®HZ-15 小型化探棒組，以及 R&S®HZ-17 小型化 H-場近場探棒組（兩者頻寬均為 3 GHz），便能輕易地在印刷電路板（PCB）上定位非預期輻射的來源與傳輸路徑。
測試應用
用於時頻關聯分析的閘控 FFT
對於進階分析，例如在時域與頻域訊號之間進行關聯，R&S®RTE1000 與 R&S®RTO6 示波器的閘控 FFT（Gated FFT）功能至關重要，此功能會將頻譜分析限制在所擷取時域訊號中使用者定義的特定區域內。
如此一來，過度的頻譜輻射便能與連續訊號中的特定時間段產生關聯，在 EMI 測試期間，這不僅有助於從時域訊號中識別非預期電磁輻射的來源，還能對不同的操作情境進行直接的測試。
針對 EMI 輻射優化閘極驅動電壓
電力電子電路中的一個 EMI 輻射來源，是快速交換的 MOSFET 橋式電路，修改交換電晶體的閘極驅動電壓，是降低 EMI 的一種直接方法，這需要平行量測閘極驅動電壓、輸出訊號與其輻射，以及它們的頻譜。
在下圖中，我們分析了一個 MOSFET 橋式電路的各種驅動訊號及其對輻射的影響，在 (1) 中，施加了一個矩形的閘極驅動訊號；而在 (2) 中，則使用了一個級聯的雙準位矩形閘極驅動訊號（綠色），使用近場探棒對 EMI 輻射進行平行監控，清楚地顯示這是一種有效的方法：EMI 訊號（紅色）中高頻成份的幅度被有效地降低了。
進一步的優化步驟
為了決定最佳的閘極驅動電壓，還需要分析額外的參數，切換損耗（Switching Loss）是一個重要因素，它可能會隨著閘極驅動訊號的改變而增加，進行切換損耗量測需要電流探棒與高壓差動探棒，其最大電壓、電流以及頻寬都至關重要，電流與電壓訊號必須進行歪斜校正（Deskew），以避免切換損耗的量測誤差。
R&S®RT-ZHD 高壓差動探棒非常適合快速交換的半導體，它們支援高達 200 MHz 的頻寬與 750 V 至 6 kV 的最大可量測電壓，並結合了高共模抑制比。
R&S®RT-ZC 電流探棒可進行 5 A（RMS）/2 MHz 頻寬至 500 A（RMS）/120 MHz 頻寬的電流量測。
R&S®RT-ZF20 功率歪斜校正與校準治具可補償電流與電壓探棒之間不同的延遲，這對於準確量測切換損耗至關重要。
總結
Rohde & Schwarz 示波器快速而靈活的 FFT 功能，支援在先進電子裝置的開發初期，就對電力電子進行詳細的 EMI 測試，精簡的使用者介面，讓使用者只需在 R&S®RTO6 示波器的大觸控螢幕上透過幾個手勢，即可設定與更改 FFT 設定，結合近場探棒與高壓差動或電流探棒，無需額外的測試工具即可對電力電子電路進行全面優化，這在裝置設計階段加速了電力電子的開發，並有助於裝置通過電磁相容性（EMC）的認證測試。
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R&S®MXO 5 示波器是進行即時 EMI 除錯的強大利器，其核心優勢在於業界最快的 FFT 更新率，高達每秒 45,000 次，當搭配近場探棒在電路板上移動尋找輻射來源時，能提供如分析儀般流暢、無延遲的頻譜響應，其 18-bit HD 高解析度模式能清晰呈現微弱的雜散訊號，而標配的深度記憶體則可擷取長時間的訊號，以分析與特定操作模式相關的間歇性 EMI 事件，是從源頭解決 SiC/GaN 高速切換所帶來 EMI 問題的理想選擇。
R&S®RTO6 示波器以其卓越的訊號保真度與強大的分析功能，為寬能隙元件的 EMI 優化提供了無可比擬的洞察力，其獨特的閘控 FFT（Gated FFT）功能，讓工程師能夠在時域波形上選定特定區段（例如交換瞬間），並僅對該區段進行頻譜分析，實現完美的時頻關聯，這對於精準識別造成 EMI 輻射的根本原因至關重要，RTO6 的低雜訊前端與直覺化觸控操作介面，能確保量測結果的可靠性，並大幅簡化複雜的 EMI 除錯流程。
