Как тестировать энергетические устройства. Часть 1
Введение
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.
MDM8155А настольный высокоточный мультиметр (активировать гиперссылку)
Энергетическое устройство
В настоящее время к силовым устройствам относятся в основном следующие устройства:
• Диоды: Благодаря своей однонаправленной проводимости, диоды используются для выпрямления и стабилизации напряжения в цепях.
• Транзисторы: Типичные транзисторы включают биполярные транзисторы (БТ) и полевые транзисторы (ПТ), которые широко используются в усилителях, аудиоусилителях, регуляторах мощности и других устройствах для усиления мощности и коммутационных цепей.
• Тиристоры: Существуют обычные тиристоры (SCR), двунаправленные тиристоры (TRIAC), тиристоры с замыканием (GTO) и др., которые используются для стабилизации переменного напряжения и управляемого выпрямления.
• MOSFET: Однополярное устройство, характеризующееся высокой скоростью переключения, низкой мощностью управления и высоким входным сопротивлением. Оно подходит для высокочастотных применений и широко используется в высокочастотных импульсных источниках питания, преобразователях постоянного тока, приводах двигателей и других приложениях, требующих высокой скорости переключения.
• Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT): составное устройство, состоящее из MOSFET и биполярного транзистора (BJT). Он обладает преимуществами высокого входного импеданса MOSFET и низкого падения напряжения в открытом состоянии BJT, а также высокой устойчивостью к напряжению. Он подходит для высоковольтных применений и широко используется в области силовой электроники.
• Новые силовые устройства на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN): силовые устройства, изготовленные из новых широкозонных полупроводниковых материалов, обладают высокой устойчивостью к напряжению, низким сопротивлением в открытом состоянии, высокой частотой переключения и высокой термостойкостью и широко используются в электромобилях, зарядных станциях, солнечных инверторах, промышленных источниках питания и других областях. Среди них электромобили являются наиболее важным сценарием применения этих новых силовых устройств из-за тенденции к быстрой зарядке высоким напряжением, а применение платформы SiC на 800 В также стимулирует развитие силовых устройств на основе SiC.
Две трудности и проблемы
Сегодня MOSFET и IGBT-транзисторы все шире используются в различных областях. Эффективное тестирование соответствующих параметров MOSFET и IGBT-транзисторов — сложная проблема, которая волнует многих инженеров.
Процесс проектирования IGBT-транзисторов включает множество этапов, что создает трудности для точного измерения и анализа их характеристик переключения. Кроме того, определение безопасной рабочей области (SOA) IGBT-транзистора требует учета множества факторов, таких как напряжение, ток и время.
В измерениях паразитные параметры также оказывают существенное влияние. Паразитная индуктивность, емкость и другие параметры, присутствующие в корпусах устройств и тестовых схемах, могут значительно влиять на результаты высокочастотных и высокоскоростных тестов переключения, приводя к искажению сигнала и ошибкам измерения. Более того, высокие скорости переключения MOSFET и IGBT-транзисторов требуют высокоточного измерительного оборудования и быстрого времени отклика для тестирования динамических характеристик, что делает выбор соответствующих измерительных приборов крайне важным.
Для тестирования этих силовых устройств требуется скоординированное использование различных измерительных приборов и оборудования для более точной характеристики параметров устройства.
К распространенным параметрам тестирования силовых устройств относятся следующие:
1. Тестирование статических параметров:
• Сопротивление в открытом состоянии (Rds(on)): Для таких устройств, как MOSFET, сопротивление между стоком и истоком измеряется, когда устройство включено.
• Пороговое напряжение (Vth): Напряжение затвора, при котором устройство начинает проводить ток.
• Напряжение пробоя (BV): Максимальное напряжение, которое может выдержать устройство, например, напряжение пробоя стока (BVDSS) и напряжение пробоя затвора (BVGSS).
• Ток утечки (Idss, Igss): Ток утечки между стоком и истоком или между затвором и истоком, измеренный при определенных условиях.
2. Динамическое тестирование параметров:
• Время переключения (ton, toff): время, необходимое устройству для переключения из состояния «включено» в состояние «выключено» или из состояния «выключено» во состояние «включено».
• Время задержки переключения (td(on), td(off)): интервал времени между подачей/уменьшением управляющего сигнала и началом включения/выключения устройства в процессе переключения силового устройства.
• Потери (Eon, Eoff): измерение напряжения и тока в процессе переключения для расчета потерь энергии устройства при его включении и выключении.
• Время нарастания и спада тока (tr, tf): время, необходимое для повышения измеренного тока с 10% до 90% от номинального значения.
• Время обратного восстановления (trr): измеряет время, необходимое для возвращения тока к нулю при переходе цепи из состояния прямой проводимости в состояние обратного отключения.
3. Тестирование безопасной рабочей зоны (SOA):
• Определить безопасный диапазон рабочих параметров устройства, проверить, при каких сочетаниях напряжений и токов оно может нормально работать, и убедиться, что в практических условиях рабочее напряжение и ток устройства не будут превышать безопасный диапазон, что может привести к перегреву, пробою или другим повреждениям.
Выше перечислены лишь некоторые из распространенных методов тестирования силовых приборов. При проведении реальных испытаний и измерений испытательное оборудование и тестовые схемы должны быть подготовлены в соответствии с характеристиками самого прибора для проверки различных его параметров.
Три решения — тестирование с использованием двух импульсов
Двухимпульсное тестирование — распространенный метод измерения динамических параметров MOSFET и IGBT транзисторов. Этот тест позволяет лучше оценить характеристики силовых устройств, определить потери при переключении, скачки напряжения и тока, паразитные параметры и другие характеристики, чтобы понять долговременную надежность изделия и облегчить последующую оптимизацию продукта.
Для проведения теста требуются два импульса напряжения с разной шириной. Первый импульс используется для установления начального состояния, предварительного нагрева цепи, чтобы другие компоненты цепи достигли относительно стабильной рабочей температуры, уменьшения влияния изменений температуры на результаты теста, и одновременно для создания определенного тока в индукторе цепи, что создает условия для теста со вторым импульсом.
Второй импульс используется для проверки динамических характеристик силового прибора. При этом параметры напряжения и тока прибора в процессе переключения проверяются с помощью осциллографа и дифференциального пробника. Силовой прибор выключается на спадающем фронте первого импульса и включается на восходящем фронте второго импульса.
Упрощенная схема двухимпульсного теста показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Упрощенный пример схемы двух-импульсного тестирования.
Двухимпульсное тестирование обычно проводится в полумостовой конфигурации. Для уменьшения влияния таких факторов, как помехи электрического поля, которые могут возникнуть во время тестирования, может использоваться полномостовая структура.
В полумостовой схеме верхний транзистор остается нормально замкнутым и подключен параллельно индуктору. На затвор нижнего транзистора подается двойной импульс для измерения напряжения Vce и коллекторного тока Ic на нижнем транзисторе. В течение короткого процесса включения и выключения, вызванного двойным импульсом, проверяются параметры силового устройства. Базовая форма сигнала в двухимпульсном тестировании показана на рисунке 2.
Рисунок 2. Пример базовой формы сигнала для теста с двойным импульсом.
На рисунке 2 синяя осциллограмма представляет собой двойной импульс, подаваемый с затвора, зеленая осциллограмма — напряжение Vce на нижнем транзисторе, а черная осциллограмма — измеренный коллекторный ток Ic нижнего транзистора.
• В момент времени t0 на затвор поступает первый импульс. В это время нижний IGBT переходит в состояние насыщения, на индуктор подается напряжение, и ток, генерируемый индуктором, линейно возрастает. Величина тока определяется как напряжением, так и индуктивностью. Если оба параметра определены, то чем больше длительность первого импульса, тем больше время включения и тем больше генерируемый ток.
• После наступления момента времени t1 первый импульс заканчивается, и нижний транзистор выключается. В это время ток в индукторе свободно протекает через диод в верхнем транзисторе. Этот ток медленно спадает. Если токовый зонд поместить на эмиттер нижнего транзистора, ток в индукторе во время свободного хода диода не будет наблюдаться.
• В момент времени t2 поступает второй импульс, нижний IGBT снова включается, диод свободного хода переходит в обратное восстановление, и ток обратного восстановления также протекает через нижний IGBT. В этот момент токовый датчик на коллекторе нижнего IGBT может зафиксировать скачок тока.
• В момент времени t3 второй импульс заканчивается, и нижний транзистор выключается. В это время ток велик, а напряжение резко возрастает из-за наличия паразитной индуктивности.
Описанные выше шаги представляют собой полный процесс тестирования в двухимпульсном режиме, в ходе которого можно измерить такие параметры, как время обратного восстановления IGBT, время нарастания и время спада. Некоторые из измеряемых параметров показаны на рисунке 3. Параметры потерь при переключении можно рассчитать с помощью функции расчета осциллографа. Значение потерь можно получить путем интегрирования произведения сигналов напряжения и тока за заданный промежуток времени.
Интегральный диапазон потерь при включении составляет от 10% при повышении напряжения на затворе до 2% при падении напряжения Vce, а интегральный диапазон потерь при выключении составляет от 90% при падении напряжения на затворе до 2% при падении тока.
Рисунок 3. Некоторые измеряемые параметры в двухимпульсном тесте.
Эта специальная последовательность импульсов может быть отредактирована и сгенерирована в математическом программном обеспечении, а параметры импульсов могут быть отрегулированы. Наконец, файл может быть импортирован в генератор произвольных сигналов для вывода.
Этот метод довольно громоздкий и неудобный для настройки параметров. Поэтому компания Sigyang Technology встроила в свою серию SDG1000X Plus параметры настройки двухимпульсной формы сигнала, которые интуитивно отображают характеристики выходной двухимпульсной формы сигнала на интерфейсе источника сигнала и упрощают настройку таких параметров, как ширина импульса. Интерфейс прост в использовании, а инструкции понятны, что позволяет инженерам больше сосредоточиться на тестировании силовых устройств и устранении неполадок.
Соответствующий интерфейс настройки многоимпульсных сигналов показан на рисунке 4:
Продолжение следует.....
Магазин Gtest® - авторизованный поставщик мультиметров в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry Поставки со склада и под заказ
Сопутствующие Товары
