Hello, and thank you for joining us for today's Teledyne LeCroy webinar on Best Practices for 48 V Power Conversion Testing. A few housekeeping items before we begin. A copy of today's slides is available to you in the handout section of your control panel, which is to the right of the screen. Also in the control panel, you'll see a section for questions.
Please use this to submit questions during today's presentation. We will hold questions and answers at the end of the webinar to keep us running on time.
This webinar is being recorded. A link to the recording and slides will be sent to you automatically via email within the next 24 to 48 hours. Finally, as you exit today's webinar, a short survey will pop up. We would appreciate you taking a moment to answer these questions so that we can continue to provide valuable content to you.
Again, for those just logging in, thanks for joining Teledyne LeCroy today for our webinar on best practices for 48 V power conversion testing, presented by Ken Johnson and William Kaunds.
A little bit about us, LeCroy was founded by Alabama native Walter LeCroy in 1964. Our corporate headquarters is located in Chestnut Ridge, New York, but we have sales and service offices all across the United States as well as the rest of the world. We started as an oscilloscope manufacturer focusing on physical layer tests and have branched out into protocol analysis through several compatible acquisitions.
In 2012, LeCroy was acquired by Teledyne Technologies, and we were renamed Teledyne LeCroy.
A little about our presenters.
Ken Johnson currently holds the position of director of marketing here at Teledyne LeCroy, but prior to that spent over 15 years as a product manager and product architect.
William Kaunds has been with us for more than 11 years.
The first part of his career here was as a hardware engineer and he's spent the last four years as a technical marketing engineer. Both Ken and William focus on power electronics applications.
We know that there are a lot of demands on your time. We appreciate you spending one hour with us today. I'll now kick things over to William to begin.
Speaker 2
Thanks, Hilary.
Alright. So here's the agenda for today. This is something that was available on the registration page as well. So we're going to get started off at the top. Ken's going to start us off with the first few topics before I take over. Ken, without further ado, Ken is standing by. Ken, take it away.
Speaker 3
Okay. Thank you, William. So, it's a fast-growing field. As GaN becomes more widely adopted it's going to drive a lot of applications into the 48 V power conversion space.
So automotive, power tools, things like that. So we're going to talk a little bit about what's going on with GaN. It's displacing silicon in many applications, and William, if you just keep advancing through the slides.
So that's where we are in the agenda. And when we look at the big power conversion space, it's a bit of an eye chart, but it really represents a range of applications from kW on the left and 600 V or 5 kV, 15 kV utility type applications or more to W and V on the right—things like power distribution networks, those 1 V power rails on a board. That's the whole market, that's a wide range of applications but we're only going to focus on a few of them. And so if you look at the things we're going to focus on, it's these things here, so we're not looking at 600 V class or 120/240 V AC line power applications, no things with 500 V or 1000 V DC bus voltages, we're not looking at vehicle propulsion motors, we're not looking at power distribution networks. Really what we're looking at is things like cordless tools and battery chargers, switch-mode power supplies that might have 48 V to 1 V DC outputs.
Things that are non-propulsion motors in automotive applications like electric boost turbochargers or HVAC fans and compressors or mild hybrid motors, starter motors, things like that. So it's everything around 48 V. It's a limited part of the market, and we're just going to focus on this part of the market with some specialized tools and capabilities.
Okay. So, we just talked about this. GaN's being rapidly adopted in this market specifically, for efficiency, size, and weight reasons.
And, to get those, you really need to push the rise time into the ns area which means roughly about 1 GHz of measurement bandwidth.
Alright so moving on. So what do you do in terms of choosing the right probe? This is really one of the areas where people have a lot of questions. So this is where we're going to start and this is where we are in the agenda.
There are lots of different types of probes. You're probably familiar with almost all of these. There's a category of what I call low-voltage probes and then there are higher-voltage probes. Low-voltage probes - including up to a 60 V common mode, and they can be single-ended or differential, they can be passive or active, there are lots of different combinations of these things and then there's high-voltage isolated.
So, more than 60 V, generally they're rated 500 V or 1000 V or 6000 V or maybe more.
And it can be single-ended or active, differential, they can be separate amplifiers. We sold something like that years ago. So lots of different choices here. They each have their application fit, which we're going to talk about in the next slides. We're going to help you understand which ones are best suited for what applications. So, William, advance.
Okay well just really quickly you all know what a single-ended passive probe is, it's what comes free with every scope you buy. You've probably got drawers full of these things. They're 10x attenuation, about 15 pF of loading, 500 MHz of bandwidth nominally and it can go up a few hundred volts. They're single-ended so they're restricted in the applications especially around power conversion but we'll show you some examples of that.
And then we've got something that we call a high common-mode probe. Typically, differential probes are 12 V to 20 V common mode but for 48 V power conversion you need something suitably rated, 48 V or 60 V, something with a little bit of headroom beyond 48 V. So we've got a probe that does that with a differential voltage capability of 80 V peak and a really good CMRR, really good noise performance because the attenuation is low. So we're going to look at this probe as well and compare it to some other things.
And then there's also some more conventional probes like a high-voltage passive probe.
These are like a lower-voltage passive probe, but they have higher attenuation and therefore they also have higher voltage ranges.
But there are noise penalties with that higher attenuation as well. Next slide.
Okay. There's a fiber-optically isolated probe. Instead of galvanically isolating, you can fiber-optic isolate. And so we have one of these.
It's a high-voltage fiber-optic probe we call it. It's about a bandwidth of 150 MHz. This is good for measuring smaller signals. So it really tops out at 80 V.
It's really best for measuring gate drives and small signals that float on a high-voltage bus and the higher the voltage the better because the more it's optimized with its CMRR capability for those very high voltages. And then the things you know best are the galvanically isolated, what I call conventional high-voltage differential probes. These use high attenuation to achieve the voltage isolation.
They do, generally speaking, have a fair amount of noise but this one is actually very good. It's very low noise.
Generally speaking 100-200 MHz of bandwidth, reasonable loading, depending on the models you can get a reasonable voltage range.
And in this case, newer probes generally had better performance than older probes. The black version of this probe we sell is our newest version, this blue one you might have on the bottom there, about a 20-year-old design. We don't sell that anymore. But the new version of this has quite good CMRR capabilities, and we specify it right there, which is really quite extraordinary performance for a probe of this type. Also very low noise and very good DC gain accuracy.
Okay so we're going to compare a few of these probes and when we talk about the different applications for them first I want to introduce this application table. If you drive a car you're probably familiar with the stoplights so you know what these colors generally mean. Green in our case means it's good to go.
It's going to be a really great fit for that application. Yellow, you're using some caution, there might be some compromises. It may be fine, it may not be. It really kind of depends.
Red means it'll give you a result, but the result might be really not very good at all. And you probably don't want to use it. It'll be safe to use, but the result that it gives you might not be very good or will not be very good. And then black really says, don't use it.
That's a danger. You don't want to do that.
It might cause damage to the probe, to the scope, to the DUT, or to yourself. So you just can't go there. So don't use that probe. Black is a go/no-go zone.
So then what we have is a table that kind of indicates a few different application or signal types or measurement locations. Those are the rows here on the left that are described. So if you take a look at those and then the different types of probes we describe both in the low-voltage and high-voltage category are here on the top. And this is a table specifically for what I call a nominal 50 V DC bus link. So it's not 12 V and it's not 1000 V or 500 V. It's this kind of middle ground in between, which is generally considered a safe voltage. The highest you can go to safely touch with the human hand, which is why it's commonly used.
So if we look, we've got this section of high-voltage probes and low-voltage probes.
Passive probes, you've really got to be careful with those. They're lower-side measurements only, and you really don't want to use them for the AC side in almost every case. Your typical active probes that are meant for printed circuit board designs just don't have enough voltage either common mode or differential for what we're doing here. Same with the rail probe that's a special-purpose probe for PDN (power distribution networks).
And when you get to active differential probes you really got to make sure the common mode aligns with what you need. And so we have one that has a 60 V DC common mode and you can see there you see a bunch of greens and that really means that that's a pretty good probe for gate drives and switching losses. You'll see it used for both those things in this slide deck. But you can also use it to look at system inputs and outputs as well, providing you are trying to look at a line-side AC input.
The other things, what we call the high-voltage probes that have much higher attenuation but much more voltage withstand capability, safety rating.
They'll work.
They're not quite as good, and that's why there are a lot of cautions here.
So, you just have to know what they are. We're going to compare some of the high-voltage probes to some of these low-voltage probes, where we can and we're going to help you understand what some of the trade-offs are in each so you can make your own decision.
So that's what this next step is. We're specifically going to do that around the gate drive in this next section. And then William will show some measurements made with the 60 V common, high common-mode probe for the system device outputs and system outputs.
Alright, so let's go to the comparison.
So these are the four probes we're going to compare specifically on the low-side gate drive measurement. We're going to start with the low side.
Since we're starting with the low side we can actually probe that with a passive probe provided we're very careful we don't let that passive probe wander into some non-ground referenced location which would be really bad, provided that the board reference point that we're connecting the probe to can be tied to oscilloscope ground. Because once you connect the probe to that reference point, the ground of the probe, that reference point the scope is then going to tie that to its own ground which is the building ground that it's connected to. So the board has to be okay with that. If those things are fine then you could use it. Your lab manager may tell you to never use that so we're not giving you permission to do something that's not permitted.
And I would say in general the problem with using that probe is sooner or later you're going to forget what you're doing and you may probe something that's referenced at a high-voltage level and then you're going to damage the probe or maybe cause damage to yourself or the DUT or whatever. So you really got to be careful here. There are a lot of caveats: only do it if you really know what you're doing. But we're doing it here just to provide kind of a reference case.
The other two probes are the high-voltage fiber-optic probe, the high-voltage active diff probe, and then the high common-mode active diff probe. The quadrant structure shown here in the color coding is indicative of where the waveforms for each of these probes are in the next slides and what the colors are of the channels. So that'll help you kind of follow along and so here we go so the first step is let's look at that low-side gate drive and we basically probe this in four different acquisitions so all four probes are not hooked up at the same time.
Again there's the caveat about the passive single-ended probe. Got to be very careful about that. We were.
And then on the upper right is that high-voltage fiber-optic probe and a high-voltage active probe on the lower left and that high common-mode probe.
So we look at this and like wow, two of them look kind of the same and two of them on the other hand look kind of the same but there are a lot of differences here. So I know you have a lot of questions about this so we'll just go to what your questions are. I can anticipate them. These are the ones you're going to have. Why is there so much ringing when you use some of the probes? Why is there a dip in the rising edge on the passive probe and the high common-mode probe?
Why is there overshoot on the rising edge of the signal? And why do the two lower-bandwidth probes look like they have the best signal fidelity on the rising edge? Great question.
Why do some of the other ones have a faster rise time?
And basically there's a top and base. We're going to look at these images again the top and base. Some of the probes looks a little bumpy. Why is that? And how does probe loading factor into the measurements?
We're going to walk through each one of these things. So, William, if you advance.
So all those questions are now numbers. So the question number on the previous slide correlates to the number and the location of where that's referenced on this waveform. This is a way to just refer back and understand how those questions relate to the actual acquisitions.
If we go to the next slide, we're going to see that the first question is about the ringing. Why is there so much ringing when using the passive probe and a high common-mode probe? So if we look at the waveforms again we're going to see that on these two probes the upper-left corner and the lower-right corner. Yeah they have a lot of ringing. What's going on there? Well basically we describe it in the next slide. I'd say there are two things here. One is there's a lot more bandwidth with the two probes that show some ringing and it's either 500 MHz on the passive probe or 1 GHz on the high common-mode probe versus normally 120-150 MHz on the other two probes.
If you were to measure that ring frequency, it's a 3 ns period, so it's about 350 MHz.
The lower-bandwidth probes at 120 MHz or 150 MHz they just filter that out you just don't see it.
So basically the probe is filtering it out, you don't see it. Additionally, the probing geometry as I show here on the right, you see the arrow the white arrow on the top right. It's pointing from the low-side gate to the board reference, and then there's a passive probe connected just like this between those two points. Yeah, it's a pretty big distance and we've used a good ground spring connection here, which is great. It's a little hard to see the tip, but it's lodged in that second hole there.
It's the right tip to use, but it still has some loop inductance.
And that loop is just a big antenna. And so it's going to pick up some of the ringing. So that could be part of it too even on the high common-mode differential probe. We used a nice soldering lead but we had to use a longer one to be able to spread it apart and get to the two signals. So that's going to be a loop antenna. And so that's going to certainly cause some of the ringing too.
Lastly the signal might also have some native ringing but probably not as extreme as what's shown there.
Okay so if we go back, one trick to play is let's just use the math function to kind of filter every signal to 150 MHz and we'll see if it's got to take care of the ringing. Sure enough it does. Remember the top-left corner and the top-right corner, they had ringing on them before but now when we take the bandwidth away and make them equivalent to everything else they pretty much look the same. So the shapes of those are very similar now. So, really, it's all about the bandwidth in this case. And, when you have such a high bandwidth that you're trying to measure, you do want to pay some attention to the board layout and make sure that you're doing all the right things. So you end up with the best possible structure, for the signal fidelity and the bandwidth you're trying to achieve.
Okay. Let's go to the next question.
Why is there such a pronounced dip in the rising edge on the passive probe and a high common-mode probe? So let's go look at that image again.
So here we are looking at this dip. It rises and then it falls. It's right by the number 2 there. More aggressively, it falls on a single-ended passive probe versus the high common-mode diff probe.
But in both cases, you see a lot of that. What might be that? What might be causing that? Well, typically, if we look at that, there's the other device in the circuit that's switching in the opposite way.
And so most likely that has transient pickup from the high-side device moments after the low-side device starts to switch.
If you had a perfect differential probe with infinite CMRR, basically, that would eliminate that. But it's very hard to achieve very good CMRR at the very high bandwidth that we're looking at here. This is a 1 ns, maybe 2 ns rise time signal. You can achieve good results, and we have achieved them on a number of our probes, but it's still pretty hard. So I would say basically again this comes down to using ideal probe test point geometry.
Try to minimize antennas created by the probe signal. In this case for our high common-mode probe. we have to use this 2-inch soldering lead and that's just a bigger loop so it'd be better if we could have the geometry permit us to use that high-performance soldering with those short connectors.
So kind of good advice is lay out your test points with a good goal in mind.
And if you're not seeing that, it might be the lower-bandwidth probes are just filtering it out. Okay, let's go to question three.
Overshoot. Why is there an overshoot on the rising edge of the signal?
Well if you look at all those things again this is a summary of what we're looking at here and basically, they all have some overshoot. It's kind of hard to see with the ringing we're seeing on the high-bandwidth probes. Go to the next slide. There's a filter applied, I believe, where we kind of filter it out.
I'll do that in a second. So let me talk about the overshoot. So basically, if you look at the frequency response of a probe and a lot of high-voltage probes have a peaking where the magnitude response peaks close to the limit of the bandwidth and this is from a high-voltage diff probe and this is actually not a lot of peaking it's only about on average about 1 dB depending on the attenuation range and basically that peaking at the very highest frequencies is going to cause a bit of overshoot at the rising edge so because that's where it's emphasizing the high-frequency content a little bit and a rising edge has the very highest high-frequency content.
So this is kind of a design aspect of many high-voltage probes. 1 dB is roughly about 10% overshoot so it doesn't take a lot. If we go back to the drawing or the screenshot this is everything overlaid and you can see them all there and then I think I filtered on the next slide. I filtered everything and you can see that once I just get the overshoot or the ringing out of the picture you can see all these have roughly about a little less than 10% overshoot that's consistent with about 1 dB of peaking in general that's very good performance for a high-voltage probe.
The lead type and geometry are also going to play a role. Some tips and leads add a little bit or may make it a little bit better. Sometimes they make the peaking a little less but you pay a little penalty in bandwidth as well. So you really have to look into the probe manual to understand what you're getting. They'll either show the magnitude response which is informative of what you can expect, or they'll just show the actual step response itself with an input to a square step, what you can expect. So it's good to know. Just be aware some manufacturers may peak their probes by 4-6 dB, which for very high-frequency signals might provide an exceptional amount of overshoot and so you need to just be aware of that. In general that's not something our probes are doing we try to take the opposite tack but there are manufacturers who do that.
Okay.
Now let's go to the next question. In fact, the next two questions.
Talk to us about the rise time and the signal fidelity on the rising edge. Like, why do the lower-bandwidth probes have what looks like the best signal fidelity?
And why did higher-bandwidth probes have the fastest rise times? Well, let's go look at the image again. Now what we're looking at is obviously this rising edge and you say, wow, I really like the shape of the upper right and the lower left. But the reality is, as we saw before, they have that shape without the ringing simply because they don't have the bandwidth. And when you have the bandwidth, then you have a very fast rise time. So the answer is simple.
Lower-bandwidth probes filter out signal content, slow the rise time down, and higher-bandwidth probes, by design, have faster rise times. It's just how it works.
So, that's pretty simple.
Question six, let's look at the top and base flatness. Why do some of these probes... Why do the top and base look a little bumpy?
What's going on there? It's not very flat like I kind of would expect it to be. And so, if you take a look at these two in the upper right and the lower left, yeah you can see compared to the other two especially the lower right it is a little bumpy. There's some looks like noise that's kind of riding on the perfect 0 and 1 so to speak. So we get a lot of questions like what's causing that? Why do I see that?
And it's a really very complicated and multifaceted answer. It's hard to separate out the impact of just the simple probe noise that exists from the CMRR performance of the probe. So if a probe doesn't have perfect CMRR then basically any interference or transient events happening elsewhere in the circuit are going to impact what it measures at the 0 or 1 level, whatever that may be, and give you some interference, give you some noise.
And then there's just the raw noise of the probe, the kind of what you'd call the background noise of it, the native noise of the probe. And that's going to add some there too. It's impossible to separate these two things out. What we do know is that higher-attenuation probes, just in general, have more noise.
That's just how it works. Once you attenuate, you must then amplify it. So you amplify the noise as well. And the two with the most unusual-looking tops and bases have the highest attenuation.
And where the two with the best have the lowest attenuation. And when you look at that high common-mode probe on the bottom right, that has really the best noise floor of everything. And it also has the lowest attenuation.
And it also has the best CMRR at very high frequencies. So that all makes sense. So this is really it's no way for me to say this part of it's due to the CMRR and this part of it's due to the noise. It's a combination of those things. It's impossible to separate them in the equation, so to speak, of the signal that you see there.
Okay. And then the last question about which probe should we use? How do they look? How do we interpret all this stuff is usually there are questions about probe loading.
So, how does that factor into the measurement? And in this case, it's really hard to know because probe loading doesn't seem to be causing any issues with proper signal capture. The shape of the signal is generally very true from probe to probe. It's not differing a lot.
Usually, if there's a loading issue, you just see one signal is way uglier than the other, just massively distorted somehow. You're not seeing that here. I've listed what the capacitive tip loading is for all these different probes, and the one that's performing the best is really the high common-mode diff probe that only has 0.6 pF of tip capacity which is really very low.
The others are, in some cases, quite a bit higher. Now, one thing that I really don't know is it's possible that the loading of this capacitance influences the way it's measuring the Miller effect voltage plateau. And I really am not 100% sure, but maybe there's an impact there, possibly due to the tip capacitance and its charging time or something like that. I don't know if any of you have some thoughts on that. We'd love to hear from you. If you go to the next slide, we'll just point that out real quickly.
And, to take a look at that, you can see I've just kind of indicated the area, the voltage level where you kind of see the Miller effect plateau.
And it varies a little bit. It's the lowest on the probe with the lowest capacitance at the tip. And it's the highest on the probe with the highest capacitance with its tip. And it's in between for the other two.
So, maybe there's something here. I don't know. I'd love to hear from anybody with some really great experience in this area. So having said all that, we can just do a quick summary.
Oh, we got the high side. We're going to go through this real quick. Again, don't use the passive probe on the high side. That's a no-no.
And don't float your scope. It's not safe.
You're going to probably get poor measurement quality without even realizing it because the capacitance of the power supply for the scope is now going to be in your circuit. You don't want that. So your measurement quality will likely degrade. So that really leaves us with just three probes we can use. And if we look at the signals for that, we're going to see that I've now just kind of annotated this very quickly so we don't have to do this in 20 slides. But if you look at that, you see some of the same kinds of things that you saw on the low-voltage side.
In some cases, we have a better probe geometry here. The high-side gate and source are much closer to each other, so we're able to use a different tip and it's a better result. So we don't see some of the things we saw in the previous one with the ringing. And you see that that high common-mode probe on the bottom right really has very low noise and great CMRR. You see it and just how it's very faithfully reproducing that.
You see that little bit of dip on the rising edge and that's really most likely a transient pickup from the low-side switching suppressed mostly by the very good CMRR of that probe. The one on the left it's not so bad the high-voltage active diff probe but really it doesn't have the CMRR, it's very good CMRR but it doesn't have the CMRR performance that the one on the right the high common-mode one does. And then you see the impact of that with some higher noise in the top and the base and whatnot. Yeah, it's not bad but clearly the one on the lower right is much better.
On the upper right we have the high-voltage fiber-optic probe. That probe is optically isolated. There are some design constraints around that where you get this awesome CMRR because of fiber optics, but at the same time, you're going to have more noise. And so you're really seeing that impact here.
It's really not enough voltage at 48 V to really make that probe be a worthwhile choice. And that's why the electrically, galvanically isolated one at the bottom, bottom right, performs so much better.
So, in summary, that probe, the green one, the high common-mode is really optimized for this application space. And these experiments show that. So I encourage you to think about the probe you're going to use, make sure you know what you're getting and why. And I think I might have a quick summary here, just kind of summarizes what we talked about on the low side. A 10x probe is okay. Be really careful and you probably shouldn't really even use it anyway.
We talked about that high common-mode probe. It's really optimized for this, especially when you see it on the high side. You know, the layout probe points out really well.
You know, attenuation brings lots of other things with it, noise mostly. And, again on the high side that that high common-mode probe is probably the best choice and it can be used for your voltage switching outputs as well at 80 V peak-to-peak. So, having said that, I'm now going to turn this back over to William.
Speaker
Speaker 2
Alright. Thanks, Ken.
Okay. So we're going to switch over to the next part of our agenda where we're going to take everything that Ken has spoken about. We're going to use some of the probes that he spoke about, the high common-mode probe and the high-voltage differential probe, and actually put it to test. We're going to look at some real-world signals using a simple example, but a real-world example. Alright. So here's where we are in the agenda.
And let me first talk through the equipment that I've used for the next few slides. So I've used an 8-channel oscilloscope.
If you're familiar, if you're used to only seeing a 4-channel oscilloscope and wondering why 8 channels, I'll talk about that in a moment. But let me focus on the probes. So we learned a little bit about the high common-mode voltage probe.
I've used four of those for my signal captures, and I've also used a high-voltage differential probe here for some of the signals that you will see going forward.
I've also used a current probe, and I am probing a half-bridge using an evaluation board. Okay.
So why 8 channels?
So the more channels we have, the easier it becomes to simultaneously analyze multiple active devices. So in my example, I'm using the half-bridge, which is two active devices. So I want to be able to capture both the gate voltages, both the drain-to-source voltages, and I also want to capture the input and output voltages and currents. So that quickly gets me to 8 channels, and that's the reason why I use an 8-channel scope.
What happens if we start using a different inverter subsection setup? So a common inverter subsection setup is an H-bridge or a cascaded H-bridge. And these have active devices.
So an H-bridge has four active devices, and a cascaded H-bridge has six. And the typical rule of thumb is you take the number of devices that you have, multiply that by two, and that's the minimum number of scope channels that you would like to have for any sort of debug that you're doing. This allows you to analyze the signals simultaneously without having to compromise on skipping looking at one signal or the other. So for an H-bridge, it's four active devices, so 8 channels.
So there you go. You get 8 channels. Now there is a way to combine two oscilloscopes that you can see 16 channels, but we'll not go down that path. It's beyond the scope of this presentation.
Alright. So let me first start off by talking about the fundamental building blocks of any power conversion system. So for any generic power conversion system, you're going to have a system input, AC or DC. If it's DC, you're just focusing on the DC bus link.
There's an inverter subsection, half-bridge, H-bridge, and so on. There's typically a filtering circuit after that before you pass it off to the load and a control system that takes care of controlling the entire conversion system. So for our example, I'm looking at a simple DC-DC buck converter. So my DC bus link is set up to 48 V, which is the focus of our webinar.
The inverter subsection is a half-bridge. I'm using two GaN FETs.
There's an LC filter on the output, and I have an electronic load that the buck converter is driving.
Alright. So my half-bridge looks like so.
I've got two devices, like I said, and I have numbered sections in this block diagram. And each number refers to a probe that I have put in order to measure those particular terminals.
Alright?
So just to see what that looks like, on the left of the screen, it's the image from the previous slide. And on the right of the screen are all the captures from the oscilloscope.
Okay. So now that we've captured all the signals that we needed to, an important metric when looking at a half-bridge or an H-bridge or cascaded H-bridge is the dead time measurement.
So, most of you probably know what dead time measurement is, but let me just spend a couple of slides defining that time measurement. So let's take our half-bridge on the left half of the screen over here, and let's visualize it using simple switches. So on the right of the screen, I've just replaced the GaN FET with a simple switch.
The upper device is H1, and the lower device is L1.
And so a simple inverter subsection, like the half-switch, works like so. So you have one switching cycle where your high device is on. At that time, the L1 device is off.
And you've got a complimentary switching cycle two where your L1 device is on and the H1 device is off. And you want to avoid a situation where H1 and L1 are on simultaneously because that results in shoot-through and that's catastrophic.
And in order to avoid that, designers add dead time to eliminate the risk of shoot-through. Alright? So we need to ensure that as you transition from switching cycle one to switching cycle two, your H1 turns off before the L1 turns on. And when you're switching from cycle two to cycle one, the opposite needs to happen.
Okay. Let's go back to our acquisition. So what I've done is I have eliminated all, I've eliminated the drain-to-source captures and the input and the output voltage and current captures. And I'm only focusing on the captured gate drive signals. So, the trace or the waveform in yellow on the top left is the gate-to-source voltage for the high side, and the blue one is the low-side capture.
What you can do after you capture after you make a long capture is you can turn the zoom trace on by just clicking zoom on the oscilloscope.
It minimizes the number of cycles that you see. It allows you to get a quick snapshot of the signals that you have captured, to just ensure that you're toggling nicely between the two switching cycles. And if you put the two zooms on one grid, you can eyeball the dead time addition. Alright.
Let's zoom in a little more onto the zoom traces at the bottom over there. And you can quickly see that what I have captured is very similar to what Ken was presenting a few minutes ago. So the captures have been taken using the high common-mode voltage probes.
So if you remember, they're 1 GHz probes. And so the signal integrity in this case looks a little compromised because I've captured the signals using those longer leads, which means I have an antenna, which means I'm going to pick noise up.
So it emphasizes the fact that the test board that you have needs to have good test points. And, also, your PCB layout needs to be as clean as possible to ensure that there's no unnecessary noise pickup on the signal itself.
So how do I circumvent this? Because I have captured the signal, but I still need to measure my dead time. So I can use the same trick that Ken used, and I can apply a filter, a mathematical filter, on the zoom traces and also on the signal capture. So that's exactly what I do.
What you can see on the right side of the screen, I've got two new traces where the high-frequency content has been successfully suppressed. If you see, you look at the if you look at the top left and if you then look at the top right, you can see the noise has been filtered out. And if you look at the zooms at the bottom and if you look at the bottom left and then the bottom right, you can see how the noise has been filtered out. That signal on the bottom right should be very familiar because we saw that a few slides ago when Ken was presenting it when he had overlaid all the signals on top of each other.
Alright. So let's go back.
This filtering just emphasizes the fact that good test points are necessary and the problem of non-ideal probing practices and all the baggage that comes with it. So let's go back to our dead time definition. Now that we've captured our signals and we've got it to a point where we like, we see a nice clean edge, we need to measure dead time.
And if you manually measure dead time, you're typically looking at 50% of, you're looking at the 50% point where one device switches off and the other device switches on. And remember there are two cycles, which means I'm looking at both when my L1 turns off and my H1 turns on and also when my H1 turns off and my L1 turns on. So in this half-bridge, I'm going to have two dead time measurements that I need to take care of. Now I could do this manually, or I could leverage my oscilloscope, which allows me to easily automate the dead time measurement.
Alright? So what I could do is I go into my measurement toolbox, and I set up a measurement parameter for figuring out a delta time delay. So I need to know what the delta is between the falling edge there and the rising edge there.
And I can go into my setup for a negative edge falling at 50% and a positive edge rising at 50%.
And I can do the same thing for the complimentary switching cycle as well.
Alright. And what I can do after that is I can check a box and say, hey.
Present to me a table that shows me what the dead time is. And you can quickly see I can see dead times of 1.37 ns and 1.5 ns for each of the two switching cycles.
These numbers in the table represent the last value that's been measured.
What I'll tend to look for is, are these numbers greater than 0 seconds? And if it's greater than 0, at least I know that I have some dead time accounted for in my circuit.
Can I keep testing dead time for a significant period rather than just the 100 megasamples that I've captured over? This is a lot of data. But what if I want to continue capturing data until I say so? Can I do something?
Yes. So you can set a limit within your oscilloscope. So if you say that, yeah, I know my dead time is supposed to be less than 1.5 ns as we saw in the previous slide. I can go into the oscilloscope, and I can tell the oscilloscope, hey? Go measure all the dead times the way I've set things up. I've already set the measurement up. So go and execute that on all the possible acquisitions that I can make.
Make sure that none of them is less than 1.5 ns. And if it ever goes below 1.5 ns, I can put an if-then condition and say, if I ever fail the 1.5 ns, either stop the test or save the waveform, save a LabNotebook, shoot me an alarm, do something that tells me I have failed and capture the signal.
Okay? So that's something that can easily be done. Alright.
Knowing this, is there anything else that I can do? Because this is now an automated test that can run for a really, really long time. But what if I want to take a what if I want to get a snapshot of how the dead time varies over one acquisition, a really long acquisition. I want to see if my dead time varies over time or not. I just don't want to know when it fails. I want to see how the dead time actually trends.
So let me segue for 30 seconds, and let's talk about all-instance measurement parameters. Now we saw in the previous slide, we saw a measurement with one value, and that value is always the last value in an acquisition. So here's a simple example of a sine wave on screen. I just have eight cycles to make things easy, and I put my measurement table set up at the bottom. And what I can quickly see is the table tells me I've got eight acquisitions, and the value that it's presenting is the eighth one. So it's the last value that I see on screen.
Now what if I want to know how the frequency actually varies as I go from cycle one to cycle eight? So I can turn on what's called a track, and that allows me to see how my frequency is actually varying from left to right on the screen. Alright? And, basically, what I'm doing is I'm plotting the frequency value that's been calculated as a function of time.
Alright. So let's go back to our dead time measurement.
Now that I've set my measurement up and I've captured it, I can go and I can say track this. I want to track all my dead times that I measure from left of acquisition to right of acquisition.
And I can easily do that with a click of a button. Alright? So here on the right of the screen, there are two dead time measurements. Remember, we have set up two dead time measurements. One for switching cycle one and the other for switching cycle two. So the scope allows me to quickly look at how the dead time varies over the acquisition. So the acquisition here, the length of time is the same as the acquisition time here.
And I can quickly see that my 1.37 ns actually goes up occasionally to 1.452 ns and down to about 1.152 ns in this case. And the same thing with the 1.5 ns dead time measurement. It's a little tighter, but this gives me a really good snapshot of what's actually happening, which is really useful. You get an idea of what your tolerance is, and you can increase or decrease your circuit design accordingly.
Alright. Now that you have measurements over here and you've done the statistics on, remember in the previous slide, we spoke about what the value is.
Statistics also gives you what the mean is and is also a definition for what the SDEV is in this case. And SDEV in this measurement table represents one sigma.
So you can use the mean value that's captured here and the SDEV, the one-sigma value, to determine whether your system has a comfortable operating margin. And that'll help you determine whether your device or your inverter subsection is good enough for deployment or not.
Alright. Let's switch over to system output measurements.
Alright. So this is again, we're going to leverage the oscilloscope and the tools that it has to do more with the signals that we acquire using the high common-mode probes and high-voltage differential probes. Alright. So let's go back to our circuit diagram.
Again, signals, I've just labeled the signals that I've measured from one through eight.
And left of the screen is the same image from the previous slide, and right of the screen represents all the signals that were captured. Now in this case, I want to validate my system. I'm not too concerned about I've finished validating my low side and my high side. I'm happy with my dead time.
Let me focus now on the input and output signals only. So I'm only going to be looking at my 48 V DC bus voltage and current and the output that's seen by the electronic load when it's turned on. So this spike that you see over here on both the input and the output represents the time that you go from no load to some load that's being pulled by the electronic load.
And what I can do is instead of manually measuring things and setting up measurement parameters, I can use oscilloscope software to configure, I can configure it in a buck configuration and have it analyze the design rather than me having to do all the hard work. So I set the DC bus voltage here at the bottom to 48 V, and the outputs to a half-bridge, and then the software will tell me everything that it needs to tell me. So I tell the software, look. I'm interested in knowing what the RMS voltage and current is for both the input and the output, what the output and input power is, what my ripple is, what the frequency is of my signal, and what the efficiency is.
And I can select all those parameters and then just check a box that shows me that puts up a numeric table that tells me everything that I need to know. Now note that this should be familiar. If you've ever used a power analyzer, it's a similar format.
The signals on screen, in the table represent mean values, and that's important. Remember when we spoke about measurement parameters a few slides back, we said that represents, in a measurement table, the last value. In this case, it represents the mean values, the mean value for the entire acquisition.
So that's static analysis. That gives you a nice snapshot of what your design goals are. But what if you need to know more? Well, you could you could select any one of these cells that you're interested in, and you can get what's called dynamic analysis, which basically means you can see how, in this case, I've selected the VRMS for the output, the IRMS for the output, and the power and the efficiency for the output on the right side of the screen. And what this tells me is it's not giving me it's giving me a value in this table, but it's showing me how the value varies over the entire acquisition. And that's dynamic analysis.
It's very useful when you have a really long acquisition with a lot of changing conditions, and it makes you ask a lot of questions like, what exactly is the variation when the system turns on? So I could then zoom into this section and say, yep. I see that much of a jump in my output voltage when the system's turned on. So if I have a heavy load, if I'm pulling out several hundreds of amps, the output will look different to when I'm just pulling a few hundred milliamps. And so that kind of analysis is nice to have, rather than just a table that shows you values.
And you can also ask questions like, why is my efficiency so low? You can see when the turn-on goes on, the efficiency changes a little bit, and then it stabilizes. So you can then go back to the drawing board and tweak your design accordingly to make sure that your design meets the design goals that you start off with at the beginning.
Okay. So, we're coming to the end of the webinar. So let me just put some closing comments out. So, between what we've spoken over the last 15 minutes or so, the big takeaways are if you have a probe that's optimized for the 48 V power conversion application, it's always nice to pick a probe that's optimized because it'll give you the best result, and it'll be the most cost-effective. You don't want to be in a situation where you are using probes that you don't want to use. You may end up seeing something in your design that's not actually there. So always pick a probe that's optimized.
Once you have a good probe, the scope actually has lots of tools that allow for really good automated, efficient, and precise dead time measurements.
Why is this important? It'll save you a lot of time, and it'll help you improve your design if you learn how to use the tools effectively.
There are many times the education on the tool itself opens up avenues to a lot more things when you are validating your design.
Also, building off that, if you're looking for system validation measurements, even that can be efficiently done and accurately done using an oscilloscope.
If you use a 12-bit high-definition oscilloscope, that we probably sell at Teledyne LeCroy, you can easily get power calculations to within 1% of the accuracy of a power analyzer.
More importantly, you get a lot of capabilities with the oscilloscope that'll allow you to correlate power measurements significantly better to your high-speed control or any other signals in your design.
Okay. That said, let me open the floor to questions.
You can type your questions into the questions panel on the bottom right of your screen. And while you do that, let me just go through some other things that I need to speak with. So, if you go to teledynelecroy.com/events, you can get an idea of all of our forthcoming events.
Both the live and the on-demand webinars are available on this website.
You can just go to the link here at the top. You can do a control-f on some keywords, and it'll pop up on your screen, and you can always sign up for those.
Here are some examples of some webinars that you might find of interest. It's got all the right keywords. You can go to the previous website and search for them.
They're all available. This is just a sample.
You can also go to our homepage at teledynelecroy.com/static-dynamic-complete.
There's a lot of information here on three-phase circuit analysis and three-phase applications or videos, links to a lot of webinars and posters. Make sure you go there. Might be surprised with all the information that's available. Might be really, really useful to you.
This is something new that we have.
We call it MAUI Studio. It basically allows you to take the oscilloscope software and install it on your personal computer. That allows you to work remotely from your computer and be more productive.
You can go to the website called out over here. You can download a free version.
The free version, I think gives you some basic capability that you can use for as long as you want to. If you need a slightly more upgraded version that gives you more access to the tools that I was speaking about or some specific power software packages, you can, there's a paid version that you can get a 30-day free trial for just by registering, and you can give that a whirl as well. It's pretty powerful, and it has a lot of benefits once you capture your signals.
Alright. So that said, let's see if we have any questions from the audience. Like I said, feel free to put them in the question panel.
Speaker 3
Hey. Just real quick.
Go ahead.
Speaker 1
Yep. I was just going to thank everyone for joining us, and I just, a couple people had messaged me asking about the recording.
So I just wanted to remind everyone that a copy of the slides are actually in the handout section if you want to download them. But if you want to wait, I will send out an email in the next 24 to 48 hours. This will be sent automatically.
It will contain a link to the landing page to access the recording and to download the slides. So just wanted to remind everybody that. Ken, go ahead.
Speaker 3
Okay. Thanks. So, we have a couple questions about probes. So, maybe I'll take a shot at these. The question was why does the fiber-optic probe have such large overshoots in the high-side gate drive case? So to go back to, I don't know, maybe just 40 or 50 or something like that.
Speaker 2
Yep.
So yeah, so that's
Speaker 3
a good question.
We talked about the frequency response peaking. This probe does have a bit more than what I showed you. Examples. So you can see there that we didn't even show it all because I want to keep the signal at the same amplitude level for the 1 and 0 level as the other two. So the peaking there, it's like 40% and that's just really in this case for this tip, this probe, this situation with this gate drive, that's just what it ended up being and without looking at it specifically I could say that in some cases the overshoot or the peaking on this particular probe is about 3 dB. On the plot we showed, if you go back a few more slides, William.
Speaker 2
Oh, yeah.
Speaker 3
So you have to go back to where we show the frequency response plot. That one right there. Right there. So that's for the high-voltage differential, the galvanically isolated, conventional high-attenuation one that shows both attenuations of that and that's kind of more consistent with what you would expect for that one or the high common-mode differential probe they're kind of in a 1 dB range on average.
So it's directly related to that fiber-optic probe does have a little bit more overshoot.
Another question I've got here says I've not seen such good results with high-voltage differential probes from measuring gate drives. What is it about this probe that makes it better than others? And so, basically, this is a pretty good probe. So I will say that if we put our older, like, 1998 vintage probe on here, it would not look very good. In fact, we show that in that Probing and Power Electronics 1 and 2 presentation.
But this looks pretty good. The CMRR on this one is about 65 dB at 1 MHz.
That's really very good for a probe of this class. Usually they're about 35 dB at 1 MHz or something in that range. So 65 dB is quite a bit better. The noise is quite low.
The accuracy of the probe is very good. But in this case, really and the loading is not very bad at all. The loading is very reasonable. So it does a pretty good job better than most people would think for the gate drives.
And it certainly, if you compare this to one of our old ADP series, the comparison's pretty stark as you would see in this other presentation we referenced at the end.
But, yeah, it's a good performer, and that's why it might look a little bit better than you thought and you kind of get what you pay for. This is not the least expensive probe in its class, but it's the best performing by far and there are probes you could buy that are half the price and you get one-tenth the performance and so you kind of get what you pay for in this class in some cases.
And then the last question is can efficiency be measured to 0.1% accuracy? I'll just take that since I'm on a roll here.
So if you go back to William's end slides where he showed the table of values with the efficiency value and the important thing to remember here is the raw oscilloscope it's about a 0.5% accurate instrument on each channel and then the probes they're rated for like, the current and voltage probes, they're rated for 1% nominally. Typically the current probes really fall within a narrow range around 0.7% accuracy and voltage probes, high-voltage differential probes fall about 0.7%, sometimes a lot better. The DL-HCM in this case is a really high-accuracy probe.
It's got precision cal as well so it's quite a bit better than that. Having said all that, you've got, like for current, you got 0.5% plus about 0.5% or so. Then you've got for the voltage, you got 0.5% for the channel plus maybe 0.25% for the probe. You know, when you multiply those things together, do the root sum of the squares, whatever for the accuracy.
You will get to within typically about 1% of what a power analyzer does which is not too bad. I'd say that's pretty good for what I call like a pre-compliance qualification. But if your goal is to measure the efficiency to 0.1%, this would not be your tool. You'd really have to have a stand-alone power analyzer to do that. And the advantage of the power analyzer in that case is it's really optimized around getting you that raw number really well.
At the same time, it doesn't have all the versatility and probes and everything else to look at the rest of your circuit. So they both have a place. We're not trashing power analyzers or trying to say this replaces it. They both have a place. This is what I'd call a good R&D, pre-qualification or pre-compliance design approach, and then the power analyzer would be the thing you'd use to measure the absolute efficiency under a variety of steady-state conditions, and then you'd probably put a plot together of how different loads work out for efficiency from many, many different static measurements taken with the power analyzer. So I hope that answers your question.
We don't have any more questions. So, Hilary, is there anything left to say?
Speaker 1
Just thank you again. Thanks, William. Thanks, Ken. Hopefully our attendees enjoyed, and hopefully we'll see you all on another webinar shortly.
Thanks.