Die Entwicklung moderner Leistungselektronik und Embedded-Systeme erlebt einen tiefgreifenden Wandel. Anwendungen in der Elektromobilität, bei erneuerbaren Energien oder in der industriellen Automatisierung setzen heute auf leistungsfähige, kompakte Systeme mit maximaler Energieeffizienz. Treiber dieser Entwicklung sind Wide-Bandgap-Halbleiter (SiC/GaN), hochintegrierte Regelkreise und zunehmend komplexe Stromversorgungskonzepte. Für Entwickler bedeutet das: Schaltvorgänge werden schneller, Signale empfindlicher und die Zahl der relevanten Messpunkte steigt. Klassische Oszilloskope stoßen hier schnell an ihre Grenzen. Daraus ergibt sich eine steigende Nachfrage nach mehrkanaligen Oszilloskopen mit 12-Bit-Analog-Digital-Wandlung und sehr guter Signalintegrität.
Mit den neuen Serien SDS5000X HD und SDS5000L liefert Siglent eine Plattform, die gezielt für diese Herausforderungen konzipiert wurde. Die Serie bietet Modelle mit vier, sechs oder acht vollständig synchronen Analogkanälen und kann um 16 digitale Kanäle erweitert werden. Die verfügbaren Bandbreiten sind 350 MHz, 500 MHz und 1 GHz mit einer Abtastrate von bis zu 5 GSa/s. Eine sehr gute ENOB (Effective Number of Bits) von bis zu 8,2 Bit (1-GHz-Modell) sowie ein äußerst niedriges Grundrauschen von 140 µVrms (1-GHz-Modell) sorgen für detailgetreue Signalerfassung. Dies bringt einen entscheidenden Vorteil beim Debugging empfindlicher Analog- und Mixed-Signal-Anwendungen.
Mehrkanal-Analyse für komplexe Systeme
Ein mögliches Einsatzgebiet der neuen Oszilloskope sind Power-Up-Sequenztests in Embedded-Systemen. Hier muss sichergestellt werden, dass Versorgungsspannungen, Reset- und Taktsignale in exakt definierter Reihenfolge aktiviert werden. Ist das nicht gewährleistet, kann der Start von Mikrocontrollern und Peripherie nicht fehlerfrei erfolgen. Schon kleine Timing-Abweichungen können instabile Systemzustände oder Kommunikationsfehler hervorrufen. Die hohe Abtastrate und der standardmäßig große Erfassungsspeicher (insgesamt 2,5 Gpts) der SDS5000X-HD-Serie ermöglichen über alle Kanäle hinweg eine zeitlich akkurate Erfassung von kompletten Einschaltvorgängen in einem einzigen Messdurchlauf. Die vielen Messfunktionen unterstützen bei der Analyse und Dokumentation. Mehrfache Wiederholungen und die Gefahr, kritische Details zu verpassen, entfallen – ein erheblicher Effizienzgewinn für Entwicklungs- und Validierungsaufgaben.
Ein weiteres Beispiel, das die Vorteile der achtkanaligen Version der neuen Serie aufzeigt, ist die Analyse von dreiphasigen Motorantrieben und Wechselrichtern. Hier müssen die Spannungen und Ströme der drei Phasen gleichzeitig erfasst werden, damit Phasenbeziehungen, Schaltverhalten und eventuelle Störungen zuverlässig beurteilt werden können.
Die achtkanalige Oszilloskopkonfiguration in Verbindung mit dem optionalen 16-Kanal-Digitalmodul ermöglicht die zeitsynchrone Erfassung analoger und digitaler Signale, einschließlich Sensor- und Steuerschnittstellen. Durch die direkte Korrelation der Kanäle können Frequenzanteile mittels FFT, Phasenverschiebungen zwischen Signalen sowie die Leistungsflüsse in dreiphasigen Systemen präzise analysiert werden. So lassen sich Wirkungsgrad, Netzqualität und dynamisches Verhalten auch unter transienten Betriebsbedingungen detailliert bewerten.
Vertieft man die Analyse des Gesamtsystems eines modernen Wechselrichters, stößt man auf weitere messtechnische Herausforderungen. Die stetige Optimierung von Wirkungsgrad und Effizienz erfordert, die Verluste im System konsequent zu minimieren. Dies treibt den Technologiewechsel von klassischen Halbleiterschaltern hin zu modernen Wide-Bandgap-Bauelementen (WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) voran. Leistungselektronik auf Basis dieser Materialien ermöglicht hochdynamische, kompakte und deutlich verlustärmere Systeme, bringt jedoch neue Anforderungen an die Messtechnik mit sich.
Wie entstehen diese Herausforderungen, worin liegen die kritischen Punkte, und wie können Oszilloskope wie das SDS5000X HD mit hochauflösenden AD-Wandlern Entwicklerteams bei der sicheren und präzisen Analyse unterstützen?
Um diese Herausforderungen zu verstehen, muss man sich zunächst mit den Eigenschaften von WBG-Komponenten auseinandersetzen. Ihre speziellen Materialeigenschaften ermöglichen einen deutlich schnelleren Wechsel zwischen den Zuständen „offen“ und „geschlossen“. Das bedeutet, dass Anstiegs- und Abfallzeiten wesentlich kürzer ausfallen. Damit lassen sich höhere Schaltfrequenzen realisieren. Höhere Schaltfrequenzen ermöglichen wiederum den Einsatz kleinerer Induktivitäten und Kondensatoren, was zu kompakteren und potenziell kostengünstigeren Designs führen kann. Ein weiterer Vorteil ist die höhere Spannungsfestigkeit. Dadurch eignen sich WBG-Bauelemente bei gleicher Baugröße auch für Anwendungen mit höheren Spannungen. Bleiben die Spannungen hingegen gleich, kann der Schalter selbst deutlich kleiner dimensioniert werden.
Was bedeutet das nun für die Messtechnik?
Zur genauen Vermessung von steileren Flanken benötigt man Oszilloskope – einschließlich der Tastköpfe – mit höherer Bandbreite. Mit einer maximalen Bandbreite von 1 GHz ist die SDS5000X-HD-Serie hierfür gut vorbereitet. Problematisch wird es bei der Auswahl der Tastköpfe: Aus den oben dargestellten veränderten Anforderungen ergibt sich die Notwendigkeit einer höheren Spannungsfestigkeit und einer höheren Bandbreite. Einfache passive Tastköpfe sind bis 1 GHz oder sogar darüber hinaus verfügbar, allerdings reduziert sich die spezifizierte Maximalspannung jenseits der 10 MHz schnell auf wenige Volt. Für Messungen an höheren Spannungen, auch ohne Massebezug, gibt es Hochspannungs-Differential-Tastköpfe. Diese sind für Spannungen bis in den Kilovoltbereich und mit Bandbreiten bis 400 MHz erhältlich. Damit scheint man gut ausgerüstet zu sein. Allerdings haben diese Tastköpfe einen großen Nachteil, wenn es um floatende Messungen am Mittelpunkt einer Halbbrücke aus schnell schaltenden WBG-Halbleitern geht. Der Parameter Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR – Common Mode Rejection Ratio) ist hier sehr stark frequenzabhängig: Bei DC liegt das CMRR zum Beispiel bei 80 dB, bei 100 MHz jedoch nur noch bei 25 dB. Damit ist eine Messung der Source-Gate-Spannung am High-Side-Schalter (floatend) kaum mehr möglich – die relativ kleine Spannung (VGS) wird von nicht ausreichend unterdrückten hochfrequenten Gleichtaktspannungskomponenten deutlich überlagert.
Die Lösung ist ein Differenztastkopf mit optischer Isolation. Die Tastköpfe von Siglent bieten Bandbreiten von 500 MHz und 1 GHz sowie ein exzellentes CMRR von 160 dB bei DC und niedrigen Frequenzen. Selbst bei 800 MHz wird noch ein CMRR von 80 dB erreicht. Damit werden auch hochfrequente Gleichtaktspannungskomponenten ausreichend unterdrückt, sodass aussagekräftige Messungen möglich werden. Die Kombination aus SDS5000X HD und einem optisch isolierten Differenztastkopf der Serie ODP6000B ermöglicht die präzise Charakterisierung von WBG-Halbleiterschaltungen. Mit der hohen Bandbreite und Abtastrate, dem niedrigen Rauschen und dem hervorragenden ENOB lassen sich kleinste Signaldetails aufdecken sowie hochdynamische Schaltvorgänge zuverlässig erfassen und analysieren.
Flexibel vom Labor bis zu automatisierten Tests
Ob bei der detaillierten Analyse komplexer Schaltnetzteile im Labor oder bei der automatisierten Serienprüfung von diverser Leistungselektronik im Teststand, die Oszilloskope der SDS5000-Serie bieten für jeden Einsatz die passende Form. Für den Laborbetrieb steht das Tischgerät SDS5000X HD mit großem Touchdisplay, intuitiver Benutzeroberfläche und kompakter Bauform bereit, sodass Ingenieure Transienten, Störanteile und Effizienzverläufe direkt erfassen und bewerten können. Für den Dauerbetrieb in automatisierten Testsystemen hingegen ist das Rackmount-Gerät SDS5000L optimiert. Es verzichtet auf ein integriertes Display und ermöglicht die vollständig fernsteuerbare, langzeitstabile Erfassung und Dokumentation von Messdaten im 19-Zoll-Rack. Beide Serien teilen sich dieselbe leistungsfähige Architektur – so kann ein einmal entwickelter Testaufbau von der Laborphase nahtlos in die automatisierte Validierung übertragen werden.
Effizienz und Präzision in jeder Entwicklungsphase
Mit den neuen SDS5000X-HD- und SDS5000L-Oszilloskopen sowie den ODP6000B-Tastköpfen bietet Siglent ein durchgängiges Messsystem, das den steigenden Anforderungen in Leistungselektronik und Embedded-Design gerecht wird. Die Mehrkanaloszilloskope erlauben eine ganzheitliche Analyse komplexer Systeme, während die hohe Auflösung in Verbindung mit geringem Rauschen präzise Signale für ein zuverlässiges Debugging liefert.
Die große Speichertiefe ermöglicht es, lange Sequenzen in einem einzigen Messlauf zu erfassen. Gleichzeitig lässt sich die skalierbare Plattform flexibel in manuelle Laborumgebungen oder in automatisierte Testabläufe integrieren. Für Ingenieure bedeutet dies schnellere Entwicklungszyklen, zuverlässigere Validierungen und ein tiefes Verständnis selbst hochdynamischer Systeme.
Test efficiently, qualify precisely – Siglent macht die Komplexität moderner Leistungselektronik beherrschbar.
