전력 전자 부품의 광대역 측정을 위한 바이어스 티

편집자 주: 이 기사의 기반이 된 논문은 원래 전자기 호환성 및 신호/전력 무결성에 관한 2021 IEEE 국제 심포지엄(EMC, SI & PI)에서 발표되었으며, 그곳에서 최고의 심포지엄 논문으로 인정받았습니다. 이 내용은 IEEE의 허가를 받아 여기에 재인쇄되었습니다. 저작권 2022 IEEE.

많은 EMC 애플리케이션에서 수동 구성 요소는 이러한 구성 요소 내의 주요 프로세스에 대한 시뮬레이션 모델과 물리적 통찰력을 제공하기 위해 특성화되어야 합니다. 패시브 필터는 인덕터와 커패시터로 구성되며, 그 중 일부는 공통 모드 초크와 같은 3단자 또는 4단자 장치입니다. 작은 신호의 경우 이러한 구성 요소는 전압 및 전류와 관련하여 선형으로 간주될 수 있습니다. 그러나 많은 응용 분야에서는 비선형 효과를 고려하고 특성화해야 합니다. 이는 시간 영역 대신호 접근 방식이나 특정 바이어스 지점 주변의 선형화를 통해 달성할 수 있습니다. 필터 인덕터 또는 커패시터와 같은 잠재적으로 비선형적인 장치의 선형화된 특성화에는 소신호 평가 신호와 대신호 바이어스(인덕터의 전류 및 커패시터의 전압)의 동시 여기가 필요합니다. 가장 일반적으로 사용되는 방법은 VNA(벡터 네트워크 분석기)와 바이어스 네트워크를 사용하여 대신호 바이어스를 적용하는 것입니다.

더 높은 전류 또는 전압 레벨의 경우 VNA 측정에 외부 바이어스 티를 사용해야 합니다. 특히 9kHz ~ 500mHz의 넓은 주파수 범위에 걸쳐 있는 경우 다음과 같은 문제가 발생합니다.

이 문서에서는 10A를 연속적으로 처리하거나 10분 동안 30A를 처리하고 최대 500V까지 바이어스할 수 있는 9kHz~500mHz의 주파수 범위에 대한 선형 바이어스 티의 설계 세부 사항을 보여줍니다. 바이어스 티에 대한 출판물은 셀 수 없이 많습니다. 고주파 애플리케이션의 경우 저주파 범위에는 상대적으로 적고 높은 DC 전류 및 전압에 적합한 경우는 더 적습니다. [1]에서는 "제안된 Bias-T는 더 낮은 주파수 fmin = 2mHz 및 현재 최소 대역폭 Bmin 100mHz에서 목표 값 IDCmax = 1A 및 UDCmax = 150V에 대해 설계되었습니다"라고 명시되어 있습니다. [2]에서 목표 주파수 범위는 3A의 최대 DC 전류에서 300kHz ~ 100mHz에 이릅니다. 두 출판물 모두 보호 개념에 관한 고려 사항을 제시하지 않으며 더 낮은 대역폭과 더 작은 DC 전류 및 전압을 목표로 합니다. [2]에서는 철심이 있는 코일이 사용되는데, 이로 인해 포화 효과의 영향을 설명하기 위해 다양한 DC 전류 값에 대해 여러 가지 교정이 필요할 수 있습니다. 그러나 이와 관련하여 어떠한 정보도 제공되지 않았습니다.

매우 낮은 주파수의 경우 바이어스 티에 대한 흥미로운 능동 솔루션도 있습니다[3]. 이는 더 높은 주파수에는 사용할 수 없습니다. 그러나 이 백서에 게시된 바이어스 티는 주로 전도 전자기 방출 측정에 사용하도록 고안되었으며, 이 경우 낮은 주파수 한계인 9kHz가 매우 적합합니다. 따라서 패시브 솔루션이 선호됩니다.

개별 구성 요소의 구성과 관련하여 설명된 개념 중 일부는 이미 문헌에 알려져 있지만 저자가 아는 한 바이어스 티 구성을 위한 이러한 구성에 대한 출판물은 아직 없습니다. 이 특별한 형태의 바이어스 티의 특별한 장점은 높은 대신호 바이어스 전류 및 전압을 유지하면서 전력 전자 부품의 소신호 특성화에 사용할 수 있다는 것입니다. 다양한 전력 전자 부품의 S-파라미터를 측정하고 넓은 주파수 범위에 대한 바이어스로 인한 변화를 측정함으로써 큰 ​​신호 바이어스에서 이러한 부품의 동작을 모델링하는 데 유용한 데이터를 쉽게 얻을 수 있습니다. 이 구성을 측정하면 삽입 손실, 반사 손실 및 온도 동작과 같은 티의 중요한 특성과 관련하여 좋은 결과가 나타납니다.

그림 1은 DC 블록 커패시터와 RF 디커플링 인덕터로 구성된 4개의 공통 바이어스 티를 보여줍니다. 이 설계에서는 비스 티의 일반 토폴로지가 유지됩니다. 핵심 과제는 필요한 인덕턴스, 커패시턴스, 전압 및 전류 값을 위한 구성 요소를 설계하고 바이어스 티 중 4개가 배열되어 그림과 같이 4포트 측정 시스템을 형성할 수 있도록 바이어스 티에 물리적 배열을 하는 것입니다. 제안된 바이어스 티의 개략도는 그림 2에 나와 있으며 다음 섹션에서 자세히 설명합니다.