Как тестировать энергетические устройства. Часть 1
В последние годы, с ростом спроса со стороны рынка промышленного управления, рынка электромобилей и сектора генерации электроэнергии на основе новых источников энергии, спрос на энергетические (силовые) устройства также увеличивается, и требования к их характеристикам постепенно растут. Энергетические устройства являются важной отраслью полупроводниковых приборов, в основном используемых для преобразования и управления электрической энергией при высоком напряжении и токе, и способны выдерживать большие нагрузки.
MDM8155A - настольный высокоточный мультиметр для измерения параметров силовых устройств.
Энергетические устройства
В настоящее время к силовым устройствам относятся следующие типы компонентов:
- Диоды - используются для выпрямления и стабилизации напряжения благодаря однонаправленной проводимости.
- Транзисторы - биполярные и полевые транзисторы, широко применяемые в усилителях, регуляторах мощности и коммутационных схемах.
- Тиристоры - SCR, TRIAC, GTO и другие разновидности для управляемого выпрямления и регулирования напряжения.
- MOSFET - устройства с высокой скоростью переключения, низкой мощностью управления и высоким входным сопротивлением.
- IGBT-транзисторы - силовые приборы, объединяющие преимущества MOSFET и биполярных транзисторов.
- SiC и GaN устройства - современные силовые полупроводники на основе карбида кремния и нитрида галлия для высоковольтных и высокочастотных применений.
Особенно активно новые силовые приборы используются в электромобилях, зарядных станциях, солнечных инверторах и промышленных источниках питания.
Две трудности и проблемы тестирования
Сегодня MOSFET и IGBT-транзисторы всё шире применяются в различных отраслях. Однако точное измерение их параметров остаётся сложной инженерной задачей.
Процесс проектирования и тестирования IGBT-транзисторов включает множество этапов, что усложняет анализ характеристик переключения и определение безопасной рабочей области (SOA).
На результаты измерений существенно влияют паразитные параметры - индуктивность, ёмкость и другие элементы тестовой схемы. Они могут вызывать искажения сигналов и ошибки измерений при высокоскоростном тестировании.
Для качественной оценки характеристик силовых устройств требуется использование высокоточного измерительного оборудования с быстрым временем отклика и широкой полосой пропускания.
К основным параметрам тестирования относятся:
1. Тестирование статических параметров
- Rds(on) - сопротивление в открытом состоянии.
- Vth - пороговое напряжение открытия транзистора.
- BV - напряжение пробоя устройства.
- Idss, Igss - токи утечки.
2. Тестирование динамических параметров
- ton, toff - время включения и выключения.
- td(on), td(off) - время задержки переключения.
- Eon, Eoff - потери энергии при переключении.
- tr, tf - время нарастания и спада тока.
- trr - время обратного восстановления.
3. Тестирование безопасной рабочей области (SOA)
Позволяет определить допустимые сочетания напряжения и тока, при которых устройство может работать без риска перегрева, пробоя и других повреждений.
Перечисленные методы являются лишь частью испытаний, выполняемых при исследовании силовых полупроводниковых приборов.
Три решения - тестирование с использованием двух импульсов
Двухимпульсное тестирование является распространённым методом измерения динамических параметров MOSFET и IGBT-транзисторов. Оно позволяет оценивать потери при переключении, паразитные параметры, скачки напряжения и тока, а также долговременную надёжность устройств.
Для проведения теста используются два импульса напряжения различной длительности. Первый импульс формирует начальные условия и создаёт ток в индукторе, а второй применяется для исследования динамических характеристик силового прибора.
Упрощённая схема двухимпульсного тестирования представлена ниже.
Рисунок 1. Упрощённый пример схемы двухимпульсного тестирования.
Двухимпульсное тестирование обычно выполняется в полумостовой конфигурации. Для уменьшения влияния электромагнитных помех может использоваться полномостовая структура.
В процессе испытаний измеряются напряжение Vce и коллекторный ток Ic, что позволяет анализировать параметры переключения транзистора.
Рисунок 2. Пример базовой формы сигнала двухимпульсного теста.
На рисунке синяя осциллограмма соответствует управляющим импульсам затвора, зелёная - напряжению Vce, а чёрная - коллекторному току Ic.
- В момент t0 подаётся первый импульс и ток индуктора начинает линейно возрастать.
- В момент t1 первый импульс заканчивается, а ток проходит через диод свободного хода.
- В момент t2 подаётся второй импульс и наблюдается процесс обратного восстановления диода.
- В момент t3 второй импульс завершается, фиксируются переходные процессы и влияние паразитной индуктивности.
Во время тестирования измеряются время обратного восстановления, время нарастания и спада сигнала, а также другие параметры силового прибора.
Потери при включении и выключении могут рассчитываться непосредственно средствами современного цифрового осциллографа путём интегрирования произведения напряжения и тока за выбранный интервал времени.
Рисунок 3. Некоторые параметры, измеряемые при двухимпульсном тестировании.
Специальная последовательность импульсов может формироваться программным обеспечением и экспортироваться в генератор произвольных сигналов. Однако такой подход требует значительных затрат времени на настройку.
Поэтому компания Siglent реализовала в генераторах серии SDG1000X Plus встроенную функцию формирования двухимпульсных сигналов, что значительно упрощает настройку параметров и ускоряет проведение испытаний силовых устройств.
Соответствующий интерфейс настройки многоимпульсных сигналов будет рассмотрен в следующей части статьи.
Продолжение следует…
