パワーエレクトロニクス部品の広帯域測定用バイアスティー

編集者注: この記事の基礎となっている論文は、元々は 2021 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility & Signal/Power Integrity (EMC, SI & PI) で発表され、最優秀シンポジウム論文として認められました。 IEEE の好意的な許可を得てここに転載します。 著作権 2022 IEEE。

多くの EMC アプリケーションでは、受動コンポーネントを特性評価して、これらのコンポーネント内の主要なプロセスに対するシミュレーション モデルと物理的な洞察を提供する必要があります。 パッシブ フィルタはインダクタとコンデンサで構成され、その一部はコモンモード チョークなどの 3 端子または 4 端子デバイスです。 小さな信号の場合、これらのコンポーネントは電圧と電流に関して線形であると考えることができます。 ただし、多くのアプリケーションでは、非線形効果を考慮して特徴付ける必要があります。 これは、時間領域の大信号アプローチ、または特定のバイアス ポイント付近の線形化によって実現できます。 フィルタ インダクタやコンデンサなどの潜在的に非線形デバイスの線形特性評価には、小信号評価信号と大信号バイアス (インダクタの場合は電流、コンデンサの場合は電圧) を同時に励起する必要があります。 最も一般的に使用される方法は、ベクトル ネットワーク アナライザー (VNA) とバイアス ネットワークを利用して大信号バイアスを適用します。

より高い電流または電圧レベルの場合、VNA 測定には外部バイアス ティーを使用する必要があります。 特に、これらが広い周波数範囲 (ここでは 9 kHz から 500 mHz) にわたる場合、次のような課題が生じます。

この文書では、9 kHz ～ 500 mHz の周波数範囲のリニア バイアス ティーの設計の詳細を示します。このリニア バイアス ティーは、連続 10 A、または 10 分間 30 A を処理でき、最大 500 V のバイアスが可能です。高周波アプリケーションの場合、低周波範囲にあるものは比較的少なく、高 DC 電流および電圧に適したものはさらに少ないです。 [1] では、「提案されたバイアス T は、低周波数 fmin = 2 mHz および現在の最小帯域幅 Bmin 100 mHz で、目標値 IDCmax = 1 A および UDCmax = 150 V に合わせて設計された」と述べられていますが、 [2] では、対象周波数範囲は最大 DC 電流 3A で 300 kHz ～ 100 mHz に達します。 どちらの出版物も保護概念に関する考慮事項を提示しておらず、より低い帯域幅とより小さな DC 電流および電圧も対象としています。 [2] では、鉄心を備えたコイルが使用されているため、飽和効果の影響を考慮して、さまざまな DC 電流値に対して複数の校正を行う必要があると考えられます。 ただし、この点に関する情報は提供されていませんでした。

非常に低い周波数については、バイアス ティー [3] 用の興味深いアクティブ ソリューションもありますが、これも高周波数には使用できません。 ただし、この論文で公開されているバイアス ティーは、主に伝導電磁放射の測定に使用することを目的としており、この場合、周波数の下限は 9 kHz で十分です。 したがって、受動的ソリューションが推奨されます。

個々のコンポーネントの構造に関して説明されている概念の一部は文献ですでに知られていますが、著者の知る限りでは、バイアス ティーの構造に関するそのような構成に関する出版物はまだありません。 この特別な形式のバイアス ティーの特別な利点は、高い大信号バイアス電流と電圧を維持しながら、パワー エレクトロニクス コンポーネントの小信号特性評価に使用できることです。 さまざまなパワー エレクトロニクス コンポーネントの S パラメータを測定し、広い周波数範囲にわたってバイアスによる変化を測定することにより、大きな信号バイアス下でのこれらのコンポーネントの動作をモデル化するための貴重なデータを簡単に取得できます。 この構成の測定では、挿入損失、反射減衰量、温度挙動などの T シャツの重要な特性に関して良好な結果が示されています。

図 1 は、DC ブロック コンデンサと RF デカップリング インダクタで構成される 4 つの一般的なバイアス T を示しています。 この設計では、ビス T シャツの一般的なトポロジーが維持されています。 中心的な課題は、必要なインダクタンス、キャパシタンス、電圧、電流値に対応するコンポーネントの設計と、図に示されているように、これらのバイアス ティーのうち 4 つを配置して 4 ポート測定システムを形成できるように、バイアス ティー内でのそれらの物理的配置を設計することです。 提案されたバイアス ティーの概略図を図 2 に示し、次のセクションで詳しく説明します。