パワーデバイス評価の必需品 「光アイソレーションプローブ」① ～光アイソレーションプローブって何？～
光アイソレーションプローブとは？
第三世代の半導体テストのブレークスルー
第三世代の半導体である炭化ケイ素（SiC）および窒化ガリウム（GaN）は、近年の新興の半導体デバイスであり、従来のシリコン（Si）ベースと比べて、より広い帯域幅を持ち、より高い臨界電場を有しています。これらの材料を使用して作られたパワー半導体デバイスは、高耐圧性、低導通抵抗、小さなリアクタンスなどの優れた特性を持っており、スイッチング電源領域に適用されると、低損失、高動作周波数、高信頼性などの利点を持ち、スイッチング電源の効率、電力密度、信頼性などを大幅に向上させることができます。
図1：炭化ケイ素（SiC）および 窒化ガリウム（GaN）のスイッチング動作時間
炭化ケイ素（SiC）および窒化ガリウム（GaN）のスイッチング時間はいずれもナノ秒（ns）のレベルであり、このような顕著な利点はスイッチング電源の損失を低減しますが、より短いスイッチング時間は高次高調波成分を著しく増加させることを意味します。ブリッジ回路の適用では、高電圧と高周波の重なりが発生し、上部ブリッジアームのフローティンググラウンドテストはエンジニアにとって大きな課題となっています。
図2：炭化ケイ素（SiC）とシリコン（Si）IGBTの周波数分布
図2は、従来のシリコンIGBTに比べて、SiC MOSFETはより高い周波数分布と高周波エネルギーを持っている事を表しています。
図3：上部アームのVgs電圧とコモンモード電圧Vcmの概念図
図3に示されている回路では、Vgs電圧はVcm（下部ゲートのVds）の上に浮かんでおり、Vcmは下部のQLがオンおよびオフするにつれて0Vから1000Vの間で振動します。通常、Vgsは20V未満であり、Vcmよりもはるかに小さく、測定時に私たちが関心を持つのはVgsの信号特性です。これは差動信号であり、この時点でVcmはコモンモード干渉となります。我々はテスト信号にそれが現れるのを望みませんが、共通モード干渉は電源回路でしばしば問題となり、電源設計段階でもテスト解析段階でも、できる限りその成分を抑制する必要があります。共通モード干渉を抑制する能力には共通モード抑制比（CMRR）という専用の指標があります。
一般的な高電圧差動プローブは100kHzでCMRRが60dB以上であり、1MHzでCMRRが50dB以上であるが、周波数が100MHzに達すると、通常20dB前後しか達成できません。図2の周波数スペクトルから、SiCは100MHzでまだ大きなエネルギーを持っており、なぜ従来の高電圧差動プローブがこのテスト作業に対処できない理由をよく理解できます。そのため、そのテストで示される波形の正確性がしばしば疑問視されています。
図4：SiCデバイスのターンONのVgs波形
図4では、黄色の波形はSiCのターンONにおける高電圧差動プローブによるテスト波形を示しています。この波形は明らかに深刻な振動を示し、赤い円で示されている場所の信号電圧はSiCのVgsの限界値を超えており、これはデバイスの損傷を引き起こす可能性があります。しかし、回路は正常に動作しており、これは明らかに論理に合致していません。
図5：SiCターンOFFのVgs波形
図5では、黄色の波形はSiCのターンOFFにおける高電圧差動プローブによる信号波形を示しています。赤い円で示されている電圧は、通常-10V未満の範囲であるSiCが耐えられる逆電圧をはるかに超えています。しかし、デバイスは損傷していません。これも明らかに論理に合致していません。
実際のVgs信号はどのようなものでしょうか？デバイスの性能は設計通りに達成されていますか？SiCまたはGaNデバイスのパラメータには安全な余裕がありますか？スイッチング損失の計算結果は本当に正確でしょうか？半導体のエンジニアの一連の疑問は、共通の問題です。
これを解決する為に必要なアイテムが光アイソレーションプローブです。
図4および図5に示されている青い波形は、光アイソレーションプローブによる結果です。測定対象のVgs信号は非常にスムーズであり、回路パラメータの設計が適切でSiCデバイスは安全な範囲内で動作しています。光アイソレーションプローブは、非常に高いコモンモード抑制能力を持っており、200MHzで80dBの抑制比CMRRを維持しています。
GaNデバイスでも光アイソレーションプローブは有効
SiC以外のテスト環境で、GaN（窒化ガリウム）に焦点を当てる場合、光アイソレーションプローブはますます優れた利点を持っています。GaNはSiCよりもスイッチング時間が短く、テストプローブのコモンモード抑制能力がより高い要求がされるため、これは光アイソレーションプローブの得意とするところです。通常、差動プローブはリード線が数十センチ以上あり、大きな寄生容量とアンテナ効果を持っています。差動プローブを使用してGaN制御ゲートに触れると、激しい振動がGaNデバイスの瞬時の破壊や爆発（一般的には"炸管"と呼ばれる）を引き起こします。多くのGaN回路設計のエンジニアは、炸管が頻繁に発生し、触れると爆発することがよくあると不平を言っています。光アイソレーションプローブはMCX接続を採用し、リード線が非常に短いため、ほとんどアンテナ効果がなく、寄生容量は数pF未満です。SiCの安全なテストが可能です。
光アイソレーションプローブのハードル
① 高価
光アイソレーションプローブはパワーデバイス計測では非常に有効であるにもかかわらず その反面で非常に高価で簡単に買える物ではありませんでした。
多くのエンジニアが 高額な光アイソレーションプローブを諦めていた事でしょう。
② 汎用性
多くの光アイソレーションプローブはオシロスコープメーカー専用コネクタになっており、高額な専用オシロスコープと組合わせる必要がありました。
この2つのハードルについても解決可能です。
Micsigの光アイソレーションプローブは高性能・低価格且つ、どのメーカーのオシロスコープにも接続できるインターフェースになっています。
目的のパワーデバイス評価をする為の基本性能を満たしている信頼性の高いオシロスコープであればその製品にも使用出来ます。
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光アイソレーションプローブ解説の第2弾はこちら パワー半導体テストにおける誤解
