Як випробувати енергетичні пристрої. Частина 1

Вступ

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.

MDM8155А настільний високоточний мультиметр (активувати гіперпосилання)

Енергетичний пристрій

В даний час до силових пристроїв належать в основному такі пристрої:

• Діоди: Завдяки своїй односпрямованій провідності діоди використовуються для випрямлення та стабілізації напруги в ланцюгах.

• Транзистори: Типові транзистори включають біполярні транзистори (БТ) та польові транзистори (ПТ), які широко використовуються в підсилювачах, аудіопідсилювачах, регуляторах потужності та інших пристроях для посилення потужності та комутаційних ланцюгів.

• Тіристори: Існують звичайні тиристори (SCR), двонаправлені тиристори (TRIAC), тиристори із замиканням (GTO) та ін., які використовуються для стабілізації змінної напруги та керованого випрямлення.

• MOSFET: Однополярний пристрій, що характеризується високою швидкістю перемикання, низькою потужністю керування та високим вхідним опором. Воно підходить для високочастотних застосувань та широко використовується у високочастотних імпульсних джерелах живлення, перетворювачах постійного струму, приводах двигунів та інших додатках, що потребують високої швидкості перемикання.

• Біполярний транзистор із ізольованим затвором (IGBT): складовий пристрій, що складається з MOSFET та біполярного транзистора (BJT). Він має переваги високого вхідного імпедансу MOSFET та низького падіння напруги у відкритому стані BJT, а також високою стійкістю до напруги. Він підходить для високовольтних застосувань та широко використовується в галузі силової електроніки.

• Нові силові пристрої на основі карбіду кремнію (SiC) і нітриду галію (GaN): силові пристрої, виготовлені з нових широкозонних напівпровідникових матеріалів, мають високу стійкість до напруги, низький опір у відкритому стані, високу частоту перемикання і високу термостійкість і широко використовуються в електромобілях, зарядних станціях, сонячних станціях. Серед них електромобілі є найбільш важливим сценарієм застосування цих нових силових пристроїв через тенденцію швидкої зарядки високою напругою, а застосування платформи SiC на 800 В також стимулює розвиток силових пристроїв на основі SiC.

Дві труднощі та проблеми

Сьогодні MOSFET та IGBT-транзистори все ширше використовуються у різних областях. Ефективне тестування відповідних параметрів MOSFET та IGBT-транзисторів – складна проблема, яка хвилює багатьох інженерів.

p align="justify"> Процес проектування IGBT-транзисторів включає безліч етапів, що створює труднощі для точного вимірювання та аналізу їх характеристик перемикання. Крім того, визначення безпечної робочої області (SOA) IGBT-транзистора вимагає врахування багатьох факторів, таких як напруга, струм і час.

У вимірах паразитні параметри також істотно впливають. Паразитна індуктивність, ємність та інші параметри, присутні у корпусах пристроїв та тестових схемах, можуть значно впливати на результати високочастотних та високошвидкісних тестів перемикання, призводячи до спотворення сигналу та помилок виміру. Більше того, високі швидкості перемикання MOSFET та IGBT-транзисторів вимагають високоточного вимірювального обладнання та швидкого часу відгуку для тестування динамічних характеристик, що робить вибір відповідних вимірювальних приладів вкрай важливим.

Для тестування цих силових пристроїв потрібне скоординоване використання різних вимірювальних приладів та обладнання для точної характеристики параметрів пристрою.

До поширених параметрів тестування силових пристроїв належать такі:

1. Тестування статичних параметрів:

• Опір у відкритому стані (Rds(on)): Для таких пристроїв, як MOSFET, опір між стоком та витоком вимірюється, коли пристрій увімкнено.

• Порогова напруга (Vth): напруга затвора, коли пристрій починає проводити струм.

• Напруга пробою (BV): Максимальна напруга, яка може витримати пристрій, наприклад, напруга пробою стоку (BVDSS) та напруга пробою затвора (BVGSS).

• Струм витоку (Idss, Igss): Струм витоку між стоком та витоком або між затвором та витоком, виміряний за певних умов.

2. Динамічне тестування параметрів:

• Час перемикання (ton, toff): час, необхідний для перемикання зі стану «ввімкнено» у стан «вимкнено» або зі стану «вимкнено» у стан «увімкнено».

• Час затримки перемикання (td(on), td(off)): інтервал часу між подачею/зменшенням керуючого сигналу та початком увімкнення/вимкнення пристрою в процесі перемикання силового пристрою.

• Втрати (Eon, Eoff): вимірювання напруги та струму в процесі перемикання для розрахунку втрат енергії пристрою під час увімкнення та вимкнення.

• Час наростання та спаду струму (tr, tf): час, необхідний підвищення виміряного струму з 10% до 90% від номінального значення.

• Час зворотного відновлення (trr): вимірює час, необхідний для повернення струму до нуля при переході ланцюга зі стануня прямої провідності у стан зворотного відключення.

3. Тестування безпечної робочої зони (SOA):

• Визначити безпечний діапазон робочих параметрів пристрою, перевірити, при яких поєднаннях напруги та струмів воно може нормально працювати, і переконайтеся, що в практичних умовах робоча напруга та струм пристрою не перевищуватимуть безпечний діапазон, що може призвести до перегріву, пробою або інших пошкоджень.

Вище перераховані лише деякі з найпоширеніших методів тестування силових приладів. При проведенні реальних випробувань та вимірювань випробувальне обладнання та тестові схеми повинні бути підготовлені відповідно до характеристик самого приладу для перевірки різних його параметрів.

Три рішення – тестування з використанням двох імпульсів

Двохімпульсне тестування - поширений метод вимірювання динамічних параметрів MOSFET та IGBT транзисторів. Цей тест дозволяє краще оцінити характеристики силових пристроїв, визначити втрати при перемиканні, стрибки напруги та струму, паразитні параметри та інші характеристики, щоб зрозуміти довготривалу надійність виробу та полегшити подальшу оптимізацію продукту.

Для проведення тесту потрібні два імпульси напруги з різною шириною. Перший імпульс використовується для встановлення початкового стану, попереднього нагрівання ланцюга, щоб інші компоненти ланцюга досягли відносно стабільної робочої температури, зменшення впливу змін температури на результати тесту, і одночасно для створення певного струму в індукторі ланцюга, що створює умови для тесту з другим імпульсом.

Другий імпульс використовується перевірки динамічних характеристик силового приладу. При цьому параметри напруги та струму приладу в процесі перемикання перевіряються за допомогою осцилографа та диференціального пробника. Силовий прилад вимикається на фронті, що спадає, першого імпульсу і включається на висхідному фронті другого імпульсу.

Спрощена схема двоімпульсного тесту показано малюнку 1.

Рисунок 1. Спрощений приклад схеми двоімпульсного тестування.

Двохімпульсне тестування зазвичай проводиться в напівмостової конфігурації. Для зменшення впливу таких факторів як перешкоди електричного поля, які можуть виникнути під час тестування, може використовуватися повностова структура.

У напівмостовій схемі верхній транзистор залишається нормально замкнутим і підключений паралельно до індуктора. На затвор нижнього транзистора подається подвійний імпульс вимірювання напруги Vce і колекторного струму Ic на нижньому транзисторі. Протягом короткого процесу увімкнення та вимкнення, викликаного подвійним імпульсом, перевіряються параметри силового пристрою. Базова форма сигналу у двоімпульсному тестуванні показана малюнку 2.

Рисунок 2. Приклад базової форми сигналу тесту з подвійним імпульсом.

На малюнку 2 синя осцилограма є подвійним імпульсом, що подається з затвора, зелена осцилограма - напруга Vce на нижньому транзисторі, а чорна осцилограма - вимірюваний колекторний струм Ic нижнього транзистора.

• У момент часу t0 на затвор надходить перший імпульс. У цей час нижній IGBT переходить у стан насичення, індуктор подається напруга, і струм, що генерується індуктором, лінійно зростає. Розмір струму визначається як напругою, і індуктивністю. Якщо обидва параметри визначені, то чим більша тривалість першого імпульсу, тим більший час включення і тим більше струм, що генерується.

• Після настання моменту часу t1 перший імпульс закінчується, і нижній транзистор вимикається. У цей час струм індуктора вільно протікає через діод у верхньому транзисторі. Цей струм повільно спадає. Якщо струмовий зонд помістити на емітер нижнього транзистора, струм в індукторі під час вільного ходу діода не спостерігатиметься.

• У момент часу t2 надходить другий імпульс, нижній IGBT знову вмикається, діод вільного ходу перетворюється на зворотне відновлення, і струм зворотного відновлення також протікає через нижній IGBT. У цей момент струмовий датчик на колекторі нижнього IGBT може зафіксувати стрибок струму.

• У момент часу t3 другий імпульс закінчується, і нижній транзистор вимикається. У цей час струм великий, а напруга різко зростає через паразитну індуктивність.

Описані вище кроки є повним процесом тестування в двоімпульсному режимі, в ході якого можна виміряти такі параметри, як час зворотного відновлення IGBT, час наростання і спаду. Деякі з параметрів, що вимірюються, показані на малюнку 3. Параметри втрат при перемиканні можна розрахувати за допомогою функції розрахунку осцилографа. Значення втрат можна отримати шляхом інтегрування добутку сигналів напруги та струму за проміжок часу.

Інтегральний діапазон втрат при включенні становить від 10% при підвищенні напруги на затворі до 2% при падінні напруги Vce, а інтегральний діапазон втрат при вимкненні становить від 90% при падінні напруги на затворі до 2% при падінні струму.

Рисунок 3. Деякі параметри, що вимірюються в двоімпульсному тесті.

Ця спеціальна послідовність імпульсів може бути відредагована та згенерована у математичному програмному забезпеченні, а параметри імпульсів можуть бути відрегульовані. Нарешті, файл може бути імпортований до генератора довільних сигналів для виведення.

Цей метод досить громіздкий та незручний для налаштування параметрів. Тому компанія Sigyang Technology вбудувала у свою серію SDG1000X Plus параметри налаштування двоімпульсної форми сигналу, які інтуїтивно відображають характеристики вихідної двоімпульсної форми сигналу на інтерфейсі джерела сигналу та спрощують налаштування таких параметрів, як ширина імпульсу. Інтерфейс простий у використанні, а інструкції зрозумілі, що дозволяє інженерам більше зосередитися на тестуванні силових пристроїв та усунення несправностей.

Відповідний інтерфейс налаштування багатоімпульсних сигналів показаний малюнку 4:

Далі буде.....

Магазин Gtest® - авторизований постачальник мультиметрів до України: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry Постачання зі складу та на замовлення