Un Bias Tee per la misurazione a banda larga di componenti elettronici di potenza

Nota dell'editore: il documento su cui si basa questo articolo è stato originariamente presentato al Simposio internazionale IEEE del 2021 sulla compatibilità elettromagnetica e l'integrità del segnale/potenza (EMC, SI e PI), dove ha ricevuto il riconoscimento come miglior documento del simposio. È ristampato qui con il gentile permesso dell'IEEE. Copyright 2022IEEE.

In molte applicazioni EMC, i componenti passivi devono essere caratterizzati per fornire modelli di simulazione e informazioni fisiche sui processi dominanti all'interno di questi componenti. I filtri passivi sono costituiti da induttori e condensatori, alcuni dei quali sono dispositivi a 3 o 4 terminali, come le induttanze di modo comune. Per piccoli segnali, queste componenti possono essere considerate lineari rispetto alla tensione e alla corrente. Tuttavia, in molte applicazioni, è necessario considerare e caratterizzare gli effetti non lineari. Ciò può essere ottenuto con un approccio a segnali di grandi dimensioni nel dominio del tempo o mediante linearizzazione attorno a determinati punti di polarizzazione. La caratterizzazione linearizzata di dispositivi potenzialmente non lineari come induttori di filtro o condensatori richiede l'eccitazione simultanea del segnale di valutazione del piccolo segnale e della polarizzazione del segnale grande, che è corrente per gli induttori e tensione per i condensatori. Il metodo più comunemente utilizzato si basa su un analizzatore di rete vettoriale (VNA) e su una rete di polarizzazione per applicare la polarizzazione del segnale di grandi dimensioni.

Per livelli di corrente o tensione più elevati, è necessario utilizzare collegamenti a T di polarizzazione esterni per le misurazioni VNA. In particolare, quando questi coprono un’ampia gamma di frequenze, qui da 9 kHz a 500 mHz, presentano le seguenti sfide:

Questo documento mostra i dettagli di progettazione di un bias tee lineare per una gamma di frequenza di 9 kHz - 500 mHz che può gestire 10 A in modo continuo o 30 A per 10 minuti e può essere polarizzato fino a 500 V. Sebbene esistano innumerevoli pubblicazioni sui bias tee per le applicazioni ad alta frequenza, ce ne sono relativamente pochi nella gamma delle basse frequenze e ancor meno adatti per correnti e tensioni continue elevate. In [1] si afferma che "Il Bias-T proposto è stato progettato per i valori target IDCmax = 1 A e UDCmax = 150 V alla frequenza inferiore fmin = 2 mHz e all'attuale larghezza di banda minima di Bmin di 100 mHz" mentre in [2] la gamma di frequenza target va da 300 kHz a 100 mHz con una corrente continua massima di 3 A. Entrambe le pubblicazioni non presentano alcuna considerazione riguardo al concetto di protezione e si concentrano anche su una larghezza di banda inferiore e su correnti e tensioni continue più piccole. In [2] vengono utilizzate bobine con nucleo di ferro, il che probabilmente comporta la necessità di effettuare diverse calibrazioni per diversi valori di corrente continua per tenere conto dell'influenza degli effetti di saturazione. Tuttavia non è stata fornita alcuna informazione in merito.

Per frequenze molto basse esistono anche interessanti soluzioni attive per bias tee [3], che ancora una volta non possono essere utilizzate per frequenze più alte. Tuttavia, il bias tee pubblicato in questo articolo è destinato ad essere utilizzato principalmente per la misurazione delle emissioni elettromagnetiche condotte, per le quali un limite di frequenza inferiore di 9 kHz è abbastanza adeguato. È quindi preferibile una soluzione passiva.

Sebbene alcuni dei concetti descritti riguardo la costruzione dei singoli componenti siano già noti in letteratura, per quanto a conoscenza degli autori, non esistono ancora pubblicazioni su tale composizione per la costruzione di uno sbieco. Il vantaggio particolare di questa forma speciale di bias tee è il possibile utilizzo per la caratterizzazione di piccoli segnali di componenti elettronici di potenza mantenendo correnti e tensioni di polarizzazione elevate per segnali di grandi dimensioni. Misurando i parametri S di vari componenti elettronici di potenza e misurando le variazioni dovute alla polarizzazione su un ampio intervallo di frequenze, è possibile ottenere facilmente dati preziosi per modellare il comportamento di questi componenti con ampia polarizzazione del segnale. Le misurazioni di questa configurazione mostrano buoni risultati per quanto riguarda proprietà importanti del raccordo a T, come la perdita di inserzione, la perdita di ritorno e il comportamento della temperatura.

La Figura 1 mostra quattro raccordi a T di polarizzazione comuni costituiti da un condensatore di blocco CC e un induttore di disaccoppiamento RF. La topologia generale di un raccordo a T bis viene mantenuta in questo progetto. La sfida principale è la progettazione dei componenti per i valori necessari di induttanza, capacità, tensione e corrente e la loro disposizione fisica in un bias tee in modo tale che quattro di questi bias tee possano essere disposti per formare un sistema di misurazione a 4 porte, come illustrato. Lo schema del bias tee proposto è mostrato nella Figura 2 e discusso in dettaglio nelle sezioni seguenti.