Un té de polarisation pour la mesure à large bande des composants électroniques de puissance

May 22, 2023

Note de l'éditeur : l'article sur lequel est basé cet article a été initialement présenté lors du Symposium international IEEE 2021 sur la compatibilité électromagnétique et l'intégrité du signal/puissance (EMC, SI et PI), où il a été reconnu comme le meilleur article du symposium. Il est reproduit ici avec l'aimable autorisation de l'IEEE. Copyright 2022 IEEE.

Dans de nombreuses applications CEM, les composants passifs doivent être caractérisés pour fournir des modèles de simulation et un aperçu physique des processus dominants au sein de ces composants. Les filtres passifs sont constitués d'inductances et de condensateurs, dont certains sont des dispositifs à 3 ou 4 bornes, tels que des selfs de mode commun. Pour les petits signaux, ces composants peuvent être considérés comme linéaires par rapport à la tension et au courant. Cependant, dans de nombreuses applications, les effets non linéaires doivent être pris en compte et caractérisés. Ceci peut être réalisé avec une approche à grands signaux dans le domaine temporel ou par linéarisation autour de certains points de biais. La caractérisation linéarisée de dispositifs potentiellement non linéaires tels que des inductances de filtre ou des condensateurs nécessite une excitation simultanée du signal d'évaluation du petit signal et de la polarisation du grand signal, qui est le courant pour les inductances et la tension pour les condensateurs. La méthode la plus couramment utilisée repose sur un analyseur de réseau vectoriel (VNA) et un réseau de polarisation pour appliquer la polarisation du signal important.

Pour des niveaux de courant ou de tension plus élevés, des tés de polarisation externes doivent être utilisés pour les mesures VNA. En particulier, lorsque celles-ci couvrent une large gamme de fréquences, ici de 9 kHz à 500 MHz, elles présentent les défis suivants :

Cet article montre les détails de conception d'un té de polarisation linéaire pour une plage de fréquences de 9 kHz à 500 MHz qui peut gérer 10 A en continu ou 30 A pendant 10 minutes et peut être polarisé jusqu'à 500 V. Bien qu'il existe d'innombrables publications sur les tés de polarisation pour les applications haute fréquence, il y en a relativement peu dans la plage des basses fréquences et encore moins adaptés aux courants et tensions continus élevés. Dans [1], il est indiqué que « le Bias-T proposé a été conçu pour les valeurs cibles IDCmax = 1 A et UDCmax = 150 V à la fréquence inférieure fmin = 2 MHz et à la bande passante minimale actuelle de Bmin de 100 MHz » tandis que dans [2], la plage de fréquences ciblée atteint 300 kHz à 100 MHz avec un courant continu maximum de 3 A. Les deux publications ne présentent aucune considération concernant le concept de protection et ciblent également une bande passante plus faible et des courants et tensions continus plus faibles. Dans [2], des bobines à noyau de fer sont utilisées, ce qui nécessite probablement de faire plusieurs étalonnages pour différentes valeurs de courant continu afin de tenir compte de l'influence des effets de saturation. Toutefois, aucune information n'a été donnée à ce sujet.

Pour les très basses fréquences, il existe également des solutions actives intéressantes pour les tés de polarisation [3], qui ne peuvent pas non plus être utilisées pour des fréquences plus élevées. Cependant, le té de polarisation publié dans cet article est destiné à être utilisé principalement pour la mesure des émissions électromagnétiques conduites, pour lesquelles une limite de fréquence inférieure de 9 kHz est tout à fait adéquate. Une solution passive est donc privilégiée.

Bien que certains des concepts décrits concernant la construction des composants individuels soient déjà connus dans la littérature, à la connaissance des auteurs, il n'existe pas encore de publications sur une telle composition pour la construction d'un té biaisé. L'avantage particulier de cette forme spéciale de té de polarisation est l'utilisation possible pour la caractérisation de petits signaux de composants électroniques de puissance tout en maintenant des courants et des tensions de polarisation élevés pour les grands signaux. En mesurant les paramètres S de divers composants électroniques de puissance et en mesurant les changements dus à la polarisation sur une large plage de fréquences, des données précieuses peuvent être facilement obtenues pour modéliser le comportement de ces composants sous une polarisation de signal importante. Les mesures de cette configuration montrent de bons résultats concernant les propriétés importantes du té, telles que la perte d'insertion, la perte de réflexion et le comportement en température.

La figure 1 montre quatre tés de polarisation communs constitués d'un condensateur bloc CC et d'une inductance de découplage RF. La topologie générale d'un té bis est conservée dans cette conception. Le principal défi réside dans la conception des composants pour les valeurs d'inductance, de capacité, de tension et de courant nécessaires, ainsi que dans leur disposition physique dans un té de polarisation de telle sorte que quatre de ces tés de polarisation puissent être disposés pour former un système de mesure à 4 ports, comme illustré. Le schéma du té de biais proposé est illustré à la figure 2 et discuté en détail dans les sections suivantes.