Як випробувати енергетичні пристрої. Частина 1
В останні роки, зі зростанням попиту з боку ринку промислового управління, ринку електромобілів та сектору генерації електроенергії на основі нових джерел енергії, попит на енергетичні (силові) пристрої також збільшується, і вимоги до їх характеристик поступово зростають. Енергетичні пристрої є важливою галуззю напівпровідникових приладів, що в основному використовуються для перетворення та керування електричною енергією при високій напрузі та струмі, і здатні витримувати великі навантаження.
Настільний високоточний мультиметр MDM8155A для вимірювання параметрів силових напівпровідникових пристроїв.
Енергетичні пристрої
В даний час до силових пристроїв належать в основному такі пристрої:
- Діоди - завдяки своїй односпрямованій провідності використовуються для випрямлення та стабілізації напруги в електронних схемах.
- Транзистори - біполярні транзистори (БТ) та польові транзистори (ПТ), що широко застосовуються у підсилювачах, регуляторах потужності та комутаційних схемах.
- Тиристори - SCR, TRIAC, GTO та інші модифікації, які використовуються для керованого випрямлення та стабілізації змінної напруги.
- MOSFET - однополярний силовий прилад із високою швидкістю перемикання, низькою потужністю керування та високим вхідним опором.
- IGBT-транзистори - біполярні транзистори з ізольованим затвором, що поєднують переваги MOSFET та BJT і широко використовуються у силовій електроніці.
- SiC та GaN пристрої - сучасні силові напівпровідники на основі карбіду кремнію та нітриду галію, які забезпечують високу напругостійкість, низькі втрати та високу швидкість перемикання.
Електромобілі, зарядні станції та системи відновлюваної енергетики сьогодні є основними сферами застосування новітніх силових компонентів на основі SiC та GaN.
Дві труднощі та проблеми тестування силових пристроїв
Сучасні MOSFET та IGBT-транзистори активно використовуються в різних галузях промисловості. Однак точне вимірювання їхніх параметрів залишається складним інженерним завданням.
Процес проектування та тестування IGBT-транзисторів включає багато етапів, що створює труднощі для аналізу характеристик перемикання та визначення безпечної робочої області (SOA).
На результати вимірювань значно впливають паразитні параметри, такі як індуктивність та ємність тестових схем. Вони можуть викликати спотворення сигналів і похибки під час високошвидкісних вимірювань.
Для тестування силових напівпровідників необхідне використання високоточних вимірювальних приладів із швидким часом відгуку та широкою смугою пропускання.
До найбільш поширених параметрів тестування належать:
1. Статичні параметри
- Rds(on) - опір каналу у відкритому стані.
- Vth - порогова напруга відкривання транзистора.
- BV - напруга пробою пристрою.
- Idss, Igss - струми витоку між відповідними електродами.
2. Динамічні параметри
- ton, toff - час увімкнення та вимкнення.
- td(on), td(off) - час затримки перемикання.
- Eon, Eoff - втрати енергії під час перемикання.
- tr, tf - час наростання та спаду струму.
- trr - час зворотного відновлення.
3. Тестування безпечної робочої області (SOA)
Визначення безпечного діапазону роботи пристрою дозволяє уникнути перегріву, пробою та інших аварійних режимів експлуатації.
Три рішення - тестування з використанням двох імпульсів
Двоімпульсне тестування є одним із найпоширеніших методів аналізу динамічних характеристик MOSFET та IGBT-транзисторів. Воно дозволяє оцінити втрати при перемиканні, паразитні параметри та довгострокову надійність силових пристроїв.
Для проведення випробувань використовуються два імпульси різної тривалості. Перший імпульс формує початковий стан і створює струм в індуктивності, а другий використовується для вимірювання динамічних характеристик силового пристрою.
Спрощена схема двоімпульсного тестування наведена нижче.
Рисунок 1. Спрощений приклад схеми двоімпульсного тестування.
Двоімпульсне тестування зазвичай реалізується у напівмостовій конфігурації. Для зниження впливу електромагнітних завад також можуть застосовуватись повномостові структури.
У процесі вимірювань аналізуються напруга колектор-емітер (Vce), колекторний струм (Ic), а також параметри перемикання транзистора.
Рисунок 2. Приклад базової форми сигналу тесту з подвійним імпульсом.
На осцилограмах синій сигнал відповідає керуючим імпульсам затвора, зелений - напрузі Vce, а чорний - колекторному струму Ic.
- У момент t0 подається перший імпульс, і струм індуктора починає лінійно зростати.
- У момент t1 перший імпульс закінчується, а струм проходить через діод вільного ходу.
- У момент t2 подається другий імпульс, і можна спостерігати процес зворотного відновлення діода.
- У момент t3 другий імпульс завершується, після чого фіксуються перехідні процеси та паразитні ефекти.
У ході випробувань можна визначати час наростання, час спаду, час зворотного відновлення та інші важливі параметри силового напівпровідникового приладу.
Параметри втрат при увімкненні та вимкненні можуть бути розраховані безпосередньо за допомогою математичних функцій сучасних цифрових осцилографів.
Рисунок 3. Деякі параметри, що вимірюються в двоімпульсному тесті.
Спеціалізовані генератори довільних сигналів дозволяють формувати необхідні послідовності імпульсів та значно спрощують проведення таких вимірювань.
Компанія Siglent інтегрувала функцію налаштування двоімпульсних сигналів у генератори серії SDG1000X Plus, що дозволяє інженерам швидко змінювати параметри імпульсів та прискорює процес тестування силових напівпровідників.
Продовження слідує…
