Application Note
SiC パワーデバイスシリーズ

スイッチング波形のモニタ方法
スイッチング電源やモータドライブ回路など、パワーデバイス素子によってスイッチングしている箇所を観測する場合、一般的にオシロスコープと電圧プローブを使用します。スイッチング波形は矩形波で、パワー回路の場合は高い電力の高周波を含んでいます。波形の入口であるプローブを適切に使用しないと正しい波形が観測できません。このアプリケーションノートではスイッチング波形を正しくモニタする方法について説明しています。

スイッチング箇所
例えばスイッチング電源回路を作成し出力電圧が正しい値であっても、スイッチング動作が誤動作していないことや、スイッチング波形が素子のSwitching
20V/div定格電圧を超えていないことを確認する必要があります。スイッチングは矩形波で、高次の高調波成分を含むため、周波数としては数 GHz

VOUT
0.2V/div(AC)に達する場合もあります。更にパワー回路では取り扱う電力が大きいため、少しの寄生素子（特にインダクタンス成分）の影響により高い電圧が発生します。

4μs/div

電圧プローブによる波形観測

Figure 2. ワニ口グラウンドリードを接続したプローブで観測した波形

スイッチング箇所のモニタには差動プローブを使用するのが理想ですが、高価なため一般的に 300V 以下の低圧回路ではパッシブ型電圧プロ

このリンギングは、プローブのグラウンドリードがインダクタンスとして付加さーブを使用することが多いです。Figure 1 はスイッチング箇所を電圧プれるため、プローブの入力容量と直列共振を起こしています。そのため、ローブでモニタしている写真です。プローブの先端はスイッチング箇所へ

この方法では正しい波形が観測できていないことになります。

接続し、グラウンド側は付属のワニ口グラウンドリードで接続しています。
Figure 2 は観測波形です。上側はスイッチング波形で、下側はプローブの等価回路例を Figure 3 に示します。また共振式は式(1)により求められます。グラウンドリードの長さが 160mm の場合、インダDC/DC コンバータの出力波形を表示しています。スイッチング信号がクタンスは 1mm あたり 1nH だと概算すると 160nH となります。式

急峻に変化する時にリンギングが観測されています。

(1)より共振周波数は約 200MHz になります。

入力端子
CPROBE
4pF

グラウンドリード

RPROBE
10MΩ

LGROUND

Figure 3. プローブの等価回路の一例

𝑓𝑟 =12𝜋√𝐿𝐺𝑅𝑂𝑈𝑁𝐷 × 𝐶𝑃𝑅𝑂𝐵𝐸

[𝐻𝑧]

(1)

Figure 1. 電圧プローブによるスイッチング箇所のモニタ、グラウンド側は付属のワニ口グラウンドリードで接続© 2019 ROHM Co., Ltd.

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共振を防ぎ正しい波形を得るために、グラウンドリードにより付加されるインダクタンスを小さくする必要があります。グラウンドリードの長さを短くしインダクタンスを小さくすると共振周波数が高くなり、測定機器の周波数帯域外へ出すことができます。
短いグラウンドリードの一例を Figure 4、5 に示します。Figure 4 はPCB へ実装するタイプ、Figure 5 は PCB へ接触するタイプです。特にプローブ・チップ・アダプタはグラウンドリードの長さが数 mm でインダクタンスは数 nH に小さくなります。これらのアクセサリは電圧プローブと共に販売されています。

Figure 6. プローブ・チップ・アダプタを使用しスイッチング箇所をモニタした状態

Figure 4 プローブ・チップ・アダプタ(Tektronix 社製)

Switching20V/div

VOUT
0.2V/div(AC)

4μs/div
Figure 7. プローブ・チップ・アダプタを使用したプローブで観測した波形

Figure 5. グラウンド・スプリング(Tektronix 社製)
プローブ・チップ・アダプタを使用しスイッチング箇所をモニタした状態をFigure 6 に、その測定結果を Figure 7 に示します。前述のワニ口グ
ラウンドリードを接続したプローブで観測した波形（Figure 2）と比べると、プローブによるリンギング発生は殆どなく、元波形に忠実な波形が得られています。
以上の手段は回路の動作電圧が低い場合に有効で、高い場合は正確な波形が得られません。この場合は高圧差動プローブや、光アイソレーション型差動プローブを使用してください。

© 2019 ROHM Co., Ltd.

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簡易プローブ・チップ・アダプタ
前述のようにプローブ・チップ・アダプタの効果は非常に有効ですが、手元にない場合は簡易的な物で代用できる場合があります。次にそれを自作する手順を紹介します。
1. リード線形抵抗や 0.5mm スズメッキ線をプローブのグラウンド部分に巻き付け、アダプタのグラウンド支持部分を作成します（Figure8）。
2. リード線形抵抗や 0.5mm スズメッキ線をピンセットの先端に巻き付け、アダプタのチップ（先端）支持部分を作成します（Figure9）。
3. Figure 10 は、作成したアダプタと、使用するプローブです。
4. 基板にはんだ付けで実装して使用します（Figure 11）。
Figure 10. 作成した簡易プローブ・チップ・アダプタ

Figure 8. アダプタのグラウンド支持部分を作成

Figure 11. 基板に実装した状態

Figure 9. アダプタのチップ（先端）支持部分を作成© 2019 ROHM Co., Ltd.

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シミュレーションでのプローブの影響
シミュレーション結果と実測波形が合わないことがありますが、要因の１V1100V

つに測定系の違いがあります。シミュレーションの測定プローブは理想プ

M1ローブなので、入力インピーダンスは無限大です。一方で実測ではモニ

SCT3120AL

タポイントに測定機器が接続されるため、様々な寄生インピーダンスがM2
SCT3120AL付加されます。前述のプローブのグラウンドリードもその１つであるため、

G

V2

L1500μH

Probe(+)

C1100pF

CPROBE
4pF

LGROUND
160nH

RPROBE
10MΩ

Probe(-)

シミュレーション波形が合わない場合は、シミュレーション回路に測定機器の等価回路を追加して検証することも必要です。
PULSE(0 18 0 1n 1n 1u 2u 0)

Figure 12 は MOSFET によるスイッチングをシミュレーションするため

Figure 14. プローブの等価回路を付加したシミュレーション回路の回路図で Figure 13 はその結果です。結果はリンギングが殆どない波形が観測されています。
次にプローブでモニタした事を想定して、Figure 3 の等価回路を追150加しシミュレーションした回路図を Figure 14 に、その結果を Figure
100

Voltage (V)15 に示します。グラウンドリードの長さは 160mm で 160nH のインダクタンスがあると仮定しています。波形には大きなリンギングが発生し、元の波形と大きな差が見られます。

500以上は１つの例ですが、測定系によって付加される等価回路は観測波形に影響をあたえていることが判ります。

-506.57.0

7.5Time (μs)

8.08.5

Fifure15. Figure 13 のシミュレーション結果波形

V1100VM1SCT3120AL

M2SCT3120AL

GL1500μH

Probe(+)

C1100pF

V2Probe(-)

PULSE(0 18 0 1n 1n 1u 2u 0)

Figure 12. MOSFET によるスイッチングをシミュレーションする回路

150Voltage (V)100500-506.5

7.0

7.5Time (μs)

8.0

8.5

Figure 13. Figure 11 のシミュレーション結果波形© 2019 ROHM Co., Ltd.

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万が一、本製品が故障・誤作動した場合であっても、その影響により人身事故、火災損害等が起こらない
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