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」② ～パワー半導体テストにおける誤解～
光アイソレーションプローブとは？
パワー半導体テストにおける誤解
光アイソレーションプローブは、主にスイッチング電源、インバータ、充電ステーション、周波数変換器、モータードライブなど、高電圧および高周波のパワー半導体デバイスで構成される回路のテストに使用されます。
特に、広い周波数帯域の半導体デバイス、つまり窒化ガリウム（GaN）や炭化ケイ素（SiC）のデバイスからなるハーフブリッジまたはフルブリッジ回路のテストに使用されます。
なぜこれらの分野で光アイソレーションプローブが必要なのでしょうか？
目次
③ 高周波コモンモードの抑制能力（同相信号除去比 CMRR）
① 高価
② 組合せオシロの汎用性
光アイソレーションプローブが必要な理由
これらのテストには共通の特徴があり、それは高い電圧と高速のスイッチング速度（dv/dt）です。
従来の高電圧回路のテストには通常、高電圧差動プローブが使用されます。
しかし、高電圧差動プローブはコモンモード除去比（CMRR）、絶縁電圧、信号対雑音比（S/N比）、帯域幅および帯域幅の均一性、ノイズへの耐性など、さまざまな側面で不十分であることが明らかです。
パワー半導体デバイスは、高耐圧、低オン抵抗、低スイッチング損失の方向に進化し続けています。
今後もパワー半導体の性能は、電圧はさらに高く、スイッチング速度はさらに速く、電流はさらに増加していきます。
高電圧差動プローブは、このようなテストには適していませんが、光アイソレーションプローブの優れた性能は高電圧差動プローブの不足を完全に補っています。
さらに詳しい情報は
「光アイソレーションプローブって何？」
で解説しています。
しかし、高電圧差動プローブテストまたは光アイソレーションプローブテストを行う際、一部のエンジニアはテストに関するいくつかの誤解を抱えています。
以下では、これらの誤解について解説します。
パワー半導体デバイスのテストに関する誤解
誤解① コモンモード電圧と差動電圧
一部のエンジニアは、光アイソレーションプローブのコモンモード電圧が数万ボルトとなっている為、数万ボルトの差動電圧を測定できると誤解しています。
コモンモード電圧はプローブに対して相対的なもので、通常グランド（GND）を基準点とした状態での電圧がコモンモード電圧であり、光アイソレーションプローブのスペックシートが表示するコモンモード電圧の大きさは、プローブの最大絶縁電圧です。
一般的には、安全性を考慮して、プローブの絶縁電圧は測定される回路の最高電圧を超えなければなりません。
プローブが許容するコモンモード電圧が大きいほど良いです。差動電圧は、プローブが測定するべき信号の電圧です。
高電圧差動プローブが許容する最大差動入力電圧は、差動プローブの最大コモンモード電圧です。
一般的に、これは数百ボルトから数千ボルトまでであり、高電圧差動プローブの回路原理に関連しています。
一部の場合、高電圧差動プローブのコモンモード電圧と差動電圧がテスト品質を低下させています。
具体的には、エンジニアはより高いコモンモード電圧を確保して安全性を確保する一方で、異なる大きさの差動信号をテストする際に高い信号対雑音比（S/N比）を維持することも望んでいます。
しかし、高電圧差動プローブのハードウェア分圧比は変更できないため、差動信号の振幅が低い場合、S/N比も同時に低下します。
一方、光アイソレーションプローブは光電隔離を使用しており、コモンモード電圧は数万ボルトまで到達でき、差動電圧は異なる減衰器を適用できるため、ミリボルトから数千ボルトまでの範囲で高いS/N比を保つことができます。
まとめ：
① コモンモードード電圧 ≠ 差動電圧。高いコモンモード電圧は光アイソレーションプローブの固有の利点です。
② 光アイソレーションプローブはなる減衰比の減衰器を適用することで、差動電圧を柔軟に適応し、より高い信号対雑音比（Ｓ/Ｎ比）を維持できます。これは光アイソレーションプローブの利点であり、コモンモード電圧に影響されません。
誤解② スイッチング信号に高周波成分は含まれていない
パワーデバイスから構成されるブリッジ回路を分析する際、一部のエンジニアは信号の周波数について誤解を抱いています。
「高周波は無い。ゲート信号の周波数は数十kHzしかありません！」という理解は、基本波と高調波の概念を混同し、スイッチング周波数と信号周波数を混同しています。
ここで言う「高周波」は、信号内の高周波成分を指しますが、スイッチング周波数ではありません。
パワー半導体デバイスは高耐圧、低コンダクション損失、低スイッチング損失を追求しており、その目的を達成する為にはデバイスのVce（またはVds）電圧のdv/dtは非常に大きくなります。
特に炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）デバイスの場合、スイッチングのオンおよびオフ時間は数ナノ秒にまで短縮されることがあります。
これにより、パワーデバイスから構成されるブリッジ回路の中点には高周波のエネルギーが多く含まれ、したがって、ハイサイドのVgsまたはVge信号をテストする際、高周波の高電圧コモンモード干渉が存在します。
この文脈での「高周波」は信号内の高周波成分を指し、スイッチング周波数とは関係ありません。
たとえスイッチング周波数が1Hzであっても、信号内には高周波成分が存在しています。信号に高周波成分が含まれているため、高帯域幅のプローブが必要です。
そうでないと、プローブの帯域幅の制約により、信号内の高周波振動や一部のピークが見えなくなる可能性があります。
ある小規模なパワー半導体テスト機器会社では、IGBTのゲート信号Vgeをテストするために帯域幅5MHzのディファレンシャルプローブを使用しており、信号内の高周波成分について考慮していませんでした。
そのため、オシロスコープの波形は非常にきれいで滑らかでした。このようなテスト結果はエンジニアには非常に満足されましたが、テスト機器はIGBTの製造ラインに大きなリスクをもたらす可能性があり、潜在的な高周波ピークが見逃されている可能性があります。
一方、別のパワー半導体テストラボでは、エンジニアたちは高周波の異常信号の存在を疑っていましたが、それらを見逃していました。
高電圧ディファレンシャルプローブではブリッジ回路のハイサイドをテストすることができないため、500MHzの帯域幅を持つ光アイソレーションプローブを使用してハイサイドのVgsをテストしたところ、最大580MHzの振動信号が見つかりました。
この振動はボードの寄生およびデバイスの共同作用から生じ、より正確な観測と測定には1GHz帯域幅のプローブが必要という事もわかりました。
まとめ:
① 信号の周波数はスイッチング周波数とは異なります。
②信号には通常非常に高い周波数成分が存在します。ブリッジ回路の場合、コモンモード信号とパワーデバイスの速度に関連しており、差動信号とは、PCBレイアウトと部品パラメータに関連しています。
誤解③ 高周波コモンモードの抑制能力（同相信号除去比 CMRR）
コモンモード除去比（CMRR）の各指標は、特定の周波数で得られます。
高電圧差動プローブは、低周波帯域（100kHz以下）におけるコモンモード抑制能力はまだましですが、中高周波帯域（1MHz以上）におけるコモンモード抑制能力は急速に低下します。
光アイソレーションプローブのコモンモード抑制能力は、一般的に高電圧差動プローブよりも優れています。
ただし、一つの誤解に陥ってはいけません：光アイソレーションプローブはコモンモード抑制比が非常に高い、と考えるべきではありません。光アイソレーションプローブの原理に基づいて、直流および低周波領域では、非常に高いコモンモード抑制比が得られます。
光ファイバー絶縁を使用すれば、直流では160dB以上、低周波では140dB以上のコモンモード抑制比を簡単に達成できます。
ただし、中高周波帯域におけるコモンモード抑制能力は、光アイソレーションプローブの仕様に応じて異なり、プローブメーカーの技術能力に関連しています。
特に、パワー半導体回路、特に第三世代パワー半導体回路（SiC、GaNなど）は、高周波で高電圧が重ね合わされる為、プローブは高周波帯域（少なくとも200MHz以上）で高いコモンモード抑制比（CMRR）が必要です。
具体的なCMRR値はどれくらいかというと、例を挙げましょう。
窒化ガリウム（GaN）回路をテストする場合、コモンモード信号電圧が500Vで、dv/dt=250V/nsであると仮定します。
このようなコモンモード干渉を抑制するには、CMRRが60dBの場合、プローブは500mVの共通モード干渉を差動モード信号に重ねて出力し、差動モード信号に明らかな影響を与えます。
CMRRが80dBの場合、プローブは差動モード信号に50mVの共通モード干渉を重ねて出力し、差動モード信号に対する影響は無視できないでしょう。
CMRRが100dBの場合、プローブは差動モード信号にわずか5mVの共通モード干渉を残し、差動モード信号には無視できる影響しか与えません。
| CMRR値 | コモンモード電圧 | 測定差動信号への干渉 |
|---|---|---|
| CMRR=60dB | 500V | 500mV |
| CMRR=80dB | 500V | 50mV |
| CMRR=100dB | 500V | 5mV |
プローブのCMRR性能と測定信号への影響
プローブの帯域幅の周波数は、その帯域幅の最高周波数で依然として高いコモンモード抑制能力が必要です。
例えば、帯域幅が500MHzのプローブは、500MHzの周波数で高いコモンモード抑制比を持つ必要があります。
高帯域幅の光アイソレーションプローブは高周波の差動モード信号を観察出来るのはもちろん、高周波のコモンモード干渉を完全に抑制できるようにするためでもあります。
まとめ:
① テスト結果の信頼性を確保するために、光アイソレーションプローブのCMRRは10MHzから1GHzの周波数範囲で最低でも100dBである必要があります。
この値を下回ると、光アイソレーションプローブは最も重要な価値である高周波コモンモード抑制能力を失います。
② 直流および低周波領域で非常に高いコモンモード抑制比は光アイソレーションプローブの原理による特徴ですが、高周波帯域における高いコモンモード抑制能力はプローブメーカーの技術力や性能によって提供され、違いが出るので慎重な選択が必要です。
誤解④ 周波数帯域幅に関するの誤解
前述のように、一部のエンジニアは信号の周波数に関して誤解があり、そのためにプローブの帯域についても誤解が生じ、より高い帯域のプローブやオシロスコープが必要ないと誤解していることがあります。
また、もう一つの誤解として、「信号の周波数が高いほど、より大きな帯域のプローブやオシロスコープを選択するべきだ」というものがあります。
この誤解もミステストをもたらす可能性があります。まず、帯域の定義を確認しましょう。
帯域とは、プローブ（またはオシロスコープ）が信号をテストする際、出力信号振幅が-3dB（つまり、入力振幅を0.707倍に減少させる）まで減少する周波数です。
これはプローブの最大周波数であり、一般的にこの最大周波数を切り捨ててプローブの名目帯域とします。-3dBの減衰により、測定誤差が30%発生します。
したがって、名目帯域だけでは測定の精度は保証されません。
では、どのような状況で測定の精度が保証されるのでしょうか？通説の中に「5倍の法則」や「4倍の法則」があり、信号の最高周波数に5倍または4倍を掛けて、必要な帯域を決定すると言われています。予算に余裕がある場合、数値が高いほど良いですが、予算が制約されている場合は、測定精度を満たすプローブを選択することが大切です。
測定精度を満たすには、各プローブの品質に依存し、一部のプローブは周波数帯域の0.2倍以上の周波数で測定誤差が増加し始め、一部のプローブは周波数帯域の0.5倍以上でも高い測定精度を維持します。
なぜこれが起こるのでしょうか？
次の波形図をご覧ください：
これはプローブの高速な立ち上がり応答波形で、このような大きなオーバーシュートと減衰振動の波形は、プローブの周波数応答が良くないことを示しています。オーバーシュートは、プローブのもう一つの指標である立ち上がり時間を小さくし、同時に高周波の振幅を増加させ、余分な周波数を供給してしまいます。
（例：100MHzのプローブでもオーバーシュートで帯域が200MHzのように錯覚）。
このようなオーバーシュートが要因でプローブの最大帯域を向上したように見せる方法は、帯域の定義の隙間を利用しており、ユーザーがこれを正しい波形かどうかを判断するのは不可能です。
このタイプのプローブは測定の精度が非常に低く、帯域が100MHzのプローブで200MHzを測定しているかのように見えるプローブは、100MHz帯域のプローブよりも測定の精度が低くなります。
持続的な減衰振動は高周波数精度を損ないます。
まとめ:
① プローブの名目周波数帯域だけでは測定精度は保証されません。
具体的な帯域については、測定精度とプローブの品質に依存します。
② 一部のプローブは帯域に余裕を持って仕様化され、電圧プローブの場合、帯域が倍増することがあります。
誤解⑤ プローブのテスト精度に関する落とし穴
プローブやオシロスコープは、一般に「DCゲイン精度」という精度を表示しますが、これは単に直流の精度を表しており、交流の精度を表しているわけではありません。
以下は、テスト精度に関する誤解についての説明です。
DCゲイン精度：通常、テスト機器はこの指標を提供し、直流信号をテストする際に確保できるテストの精度を示します。
光アイソレーションプローブとして、この指標は有用ですが、中核的な指標ではありません。
なぜなら光アイソレーションプローブは直流信号のテスト手段として使用するものではないからです。
直流であればマルチメーターを使用した方がすれば正確で経済的です。
プローブがどの周波数でテスト精度を確保できるか、ほとんどのメーカーがこの指標について言及していないため、テスト機器市場には混乱が生じています。
実際、プローブやオシロスコープには「有効な精度帯域」という別の指標を提示する必要があります。
この指標は、MICSIG社によって提案され、同社の光アイソレーションプローブ製品に適用され、エンジニアにどの条件下でテスト結果が信頼できるかを示します。
有効精度帯域：指定のテスト精度指標の条件下で、プローブがそのテスト精度を保証できる最大帯域です。
たとえば、MOIP500Pなどのモデルの光アイソレーションプローブの名目帯域が500MHzで、有効精度帯域が300MHzの場合、このプローブの最大帯域は500MHzであり、DCから300MHzの範囲では1.5％のテスト精度が確保できます。
これにより、エンジニアはこれらのテスト結果を信頼できると安心できます。
有効精度帯域に対応するもう一つの指標は「帯域ゲイン精度」です。
帯域ゲイン精度：有効精度帯域内でプローブのテスト精度です。
上記のモデルのプローブでは、帯域ゲイン精度は1.5％です。
エンジニアが自分の手元のプローブの有効な精度帯域を検証する手段はあります。
以下は一般的な2つの方法です：
方法1：高周波の正弦波信号を生成できる標準信号源を使用し、低周波から高周波までの範囲でプローブに入力し、プローブの出力振幅の変化を観察し、標準値と比較して誤差を計算します。
方法2：自身のテスト施設がない場合、信頼性のある検査機関にプローブの振幅-周波数特性データをテストしてもらうことができますが、これには一定の検査費用がかかります
（データが理想的でない場合、プローブメーカーへの交渉材料、解説を求める事が出来ます）
光アイソレーションプローブ導入のハードル
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。
解決方法
①高価と②汎用性の低さ。この2つのハードルについても解決可能です。
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