Оценка эффективности силового полупроводникового прибора методом двухимпульсного тестирования

Коммутационные потери являются неизбежными для любого силового полупроводникового прибора. Однако эти потери могут быть минимизированы за счёт оптимизации и тщательного измерения параметров, связанных с энергоэффективностью. Предпочтительным методом измерения коммутационных параметров МОП­тран­зисторов или БТИЗ (биполярных транзисторов с изолированным затвором, IGBT) является двухимпульсное тестирование. Для оптимизации или проверки соответствия фактических параметров заданным инженеры могут точно определить динамические характеристики силовых полупроводниковых приборов и модулей в различных условиях посредством анализа параметров включения, выключения и обратного восстановления.

Для выполнения такого теста требуется сгенерировать не менее двух импульсов напряжения различной длительности с точной синхронизацией. Это всегда было довольно сложной задачей, сопряжённой с различными ошибками. Однако ситуация изменилась после появления генераторов сигналов произвольной формы и стандартных функций со специализированным приложением для двухимпульсного тестирования. Для упрощения понимания метода двухимпульсного тестирования сначала рассмотрим его теоретические основы, а затем на конкретном примере дадим рекомендации по эффективному проведению тестов с помощью генератора сигналов произвольной формы и осциллографа. 

Проблема эффективности

Вместо кремния в качестве основы силовых полупроводниковых приборов всё чаще применяют полупроводники с широкой запрещённой зоной, такие как карбид кремния (SiС) и нитрид галлия (GaN), которые по характеристикам превосходно подходят для применения в жёстких условиях эксплуатации, например в промышленности и автотранспорте. GaN и SiC обеспечивают компактную эффективную конструкцию прибора и лучшее быстродействие. Как показано на рисунке 1, повышать энергоэффективность силовой электроники требуется на всех этапах: начиная с генерации электроэнергии и заканчивая её потреблением. Силовые преобразователи используются при генерации, передаче и потреблении энергии, а поскольку ни одна из этих операций не выполняется со 100% эффективностью, то потери энергии присутствуют на каждом этапе.

Как показано на рисунке 2, в идеальном случае коммутирующее устройство должно находиться в состояниях «открыто» или «закрыто» с мгновенным переключением между ними. В состоянии «открыто» импеданс устройства равен нулю, и оно не рассеивает мощность вне зависимости от величины протекающего через него тока. В состоянии «закрыто» импеданс бесконечно велик, ток не протекает и мощность не рассеивается.

Однако на практике потери мощности происходят в основном во время перехода из открытого в закрытое состояние и обратно. Такое неидеальное поведение происходит из­за паразитных элементов в схеме. Как показано на рисунке 3, паразитные ёмкости затвора снижают скорость переключения, увеличивая время включения и выключения. Протекание тока через паразитные сопротивления между стоком и истоком МОП­транзистора вызывает потери мощности. Поэтому, чтобы свести к минимуму коммутационные потери для создания более эффективных преобразователей, инженерам­конструкторам нужно измерять все временны́е параметры переключения. 

Что такое двухимпульсное тестирование?

Метод двухимпульсного тестирования предназначен для измерения коммутационных параметров и оценки динамических характеристик силовых полупроводниковых приборов. С его помощью определяют следующие параметры:

Двухимпульсное тестирование вы­полняется для решения следующих задач:

Двухимпульсное тестирование вы­полняют по схеме, показанной на рисунке 4.

Для тестирования исполь­ зуются индуктивная нагрузка и источник питания. Индуктивная нагрузка имитирует условия работы транзистора в схеме реального силового преобразователя. Генератор сигналов произвольной формы подаёт на затвор МОП­транзистора импульсы, которые отпирают его. На рисунке 5 показаны пути протекания тока на различных этапах двухимпульсного тестирования МОП­транзистора, а на рисунке 6 – пути протекания тока при аналогичном тестировании БТИЗ (IGBT­транзистора). На рисунке 7 приведены осциллограммы измерений на МОП­транзисторе или БТИЗ в нижнем плече преобразователя. Рассмотрим этапы двухимпульсного тестирования и выясним, почему очень важно контролировать длительность и синхронизацию импульсов (эти этапы поясняются рисунками 5, 6 и 7).

Первый этап – подача импульса включения 1 с заранее установленной длительностью. Он открывает транзистор, и ток начинает протекать через индуктивную нагрузку. В течение этого этапа устанавливается нужный испытательный ток I_с, как показано на рисунке 7.

Второй этап начинается после спада первого импульса, что вызывает ток в оппозитном диоде. Период выключения кратковременный, чтобы значение тока сохранялось почти на постоянном уровне. Это видно на рисунках 5 и 6: ток протекает через диод верхнего плеча двухтактного преобразователя на МОП­ или IGBT­транзисторах.

Третий этап представлен вторым импульсом включения. Его длительность меньше, чем у первого импульса, поскольку транзистор перегревается. Но эта длительность должна быть достаточной для выполнения измерений. Показанный на рисунке 7 выброс тока вызван обратным восстановлением оппозитного диода из МОП­ или IGBT­транзистора верхнего плеча.

Значения времени выключения и включения измеряются в момент спада первого импульса и нарастания второго. 

Схема двухимпульсного тестирования

Аппаратная схема двухимпульсного тестирования относительно проста и является общей для большинства технических лабораторий. В схему входят осциллограф средней ценовой категории, пробник с высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала и источник питания постоянного тока или источник­измеритель для подачи питания на нагрузку.

Для выполнения теста генератор сигналов произвольной формы и стандартных функций подключают к схеме управления IGBT­транзистора. Генератор должен быть способен сформировать как минимум два импульса напряжения разной длительности (см. рис. 8). Как было сказано ранее, длительность первого импульса должна быть установлена такой, чтобы получить нужное значение коммутируемого тока. Длительность второго импульса должна регулироваться независимо от первого. Она обычно меньше длительности первого импульса, чтобы не допустить повреждения силового транзистора.

Для схемы измерений очень важно, чтобы генератор обеспечивал быстрое и гибкое формирование сигналов. Двухимпульсное тестирование применяют на этапах исследований и разработок, проверки и оценки характеристик, а также при диагностике и ремонте на всех уровнях – от уровня компонентов до готового изделия. Во всех этих областях применения необходимо быстро и просто изменять параметры и проводить измерения с высокой эффективностью и стабильностью.

Несмотря на то что существует ряд способов создания импульсов вручную с помощью ПК или микроконтроллера, одним из самых простых и надёжных является применение генератора сигналов произвольной формы и стандартных функций со специализированным приложением для двухимпульсного тестирования, интерфейс которого показан на рисунке 9. Данное программное обеспечение позволяет пользователю настраивать ряд параметров в одном окне, включая:

Проведение двухимпульсных измерений

Для выполнения двухимпульсного тестирования была использована демонстрационная плата EVAL6498L от компании STMicroelectronics и n­канальные МОП­транзисторы STFH10N60M2 на 600 В с номинальным током стока 7,5 А – также от STMicroelectronics. Соединения были выполнены следующим образом:

После выполнения всех соединений к Q2 (МОП­транзистору нижнего плеча) были подключены пробники осциллографа, как показано на рисунке 10. Поскольку напряжение U_зи чувствительно к синфазным помехам, применялся пробник с высоким коэффициентом подавления синфазной помехи. Напряжение U_си измерялось с помощью дифференциальных пробников напряжения, а к выводу истока МОП­транзистора был подключён токовый пробник.

На генераторе сигналов произвольной формы и стандартных функций задана амплитуда импульсов 2,5 В. Были установлены следующие настройки: длительность первого импульса 10 мкс, интервал между импульсами 5 мкс, длительность второго импульса 5 мкс и ручной запуск. Напряжение источника питания было установлено равным 100 В. Осциллограф был настроен на измерение с однократным запуском. Генератор подавал импульсы, форма которых показана на рисунке 11.

Как можно видеть, формы сигналов схожи с формами, показанными на рисунке 7. Выброс тока I_си вызван обратным восстановлением оппозитного диода из транзистора верхнего плеча. Этот выброс свойственен данной схеме и приводит к потерям энергии.

Параметры включения и выключения рассчитывались по отрицательному перепаду первого импульса и положительному перепаду второго. Стандартный отраслевой метод предусматривает измерение следующих временны́х параметров включения и выключения, показанных на рисунке 12:

На рисунке 13 показаны захваченные осциллографом сигналы для вычисления параметров включения. Воспользовавшись курсорами, можно получить временны́е параметры, а затем с помощью математической функции вычислить потери при включении в течение данного перепада сигнала. Для расчёта потерь в течение перепада использовалась следующая формула:

С помощью функции интегрирования на осциллографе в данном примере было получено значение 4,7 мкДж. Это относительно небольшие потери энергии, поскольку они были вычислены только по номинальным значениям напряжения и тока.

Как и в случае с включением, для получения временны́х параметров выключения были использованы курсоры (см. рис. 14), а затем с помощью математической функции вычислялись потери при выключении в течение данного перепада сигнала. Потери энергии во время переходного процесса выключения также вычислены по формуле, приведённой выше.

С помощью функции интегрирования на осциллографе было получено значение 1,68 мкДж. И снова потери энергии оказались относительно небольшими, так как для вычисления были использованы только номинальные значения напряжения и тока.

Заключительным этапом процедуры тестирования было измерение характеристик обратной полярности диода МОП­транзистора. Ток обратного восстановления возникает при подаче второго импульса. Как показано на рисунке 15, открытый диод проводит ток прямой полярности в направлении 2. При повторном включении МОП­транзистора нижнего плеча диод должен переключиться в закрытое состояние, однако в течение небольшого интервала времени он продолжит пропускать ток, называемый током обратного восстановления. Этот ток обратного восстановления вызывает потери энергии, что непосредственно сказывается на КПД силового преобразователя.

Измерения выполнялись на МОП­транзисторе верхнего плеча. Были измерены ток I_с через МОП­транзистор верхнего плеча и напряжение U_си на диоде. На рисунке 15 показано, как были получены следующие параметры обратного восстановления: время обратного восстановления t_{вос.обр}, ток обратного восстановления I_{вос. обр}, заряд обратного восстановления
Q_{вос.обр}, di/dt и прямое напряжение в открытом состоянии U_си.

Показанные на рисунке 16 осциллограммы были получены при напряжении 20 В, поданном с источника­измерителя.

Временны́е параметры были получены с использованием курсоров. С помощью математической функции были вычислены потери обратного восстановления во время данного перепада сигнала. Для расчёта потерь в течение перепада использовалась формула:

С помощью функции интегрирования на осциллографе было получено значение 7 мкДж. 

Заключение

Метод двухимпульсного тестирования является предпочтительным для измерения коммутационных параметров и оценки динамических характеристик силовых полупроводниковых приборов. Он позволяет инженерам­разработчикам оценить коммутационные потери в силовых преобразователях.

Для двухимпульсного тестирования следует подать два импульса напряжения разной длительности с точной синхронизацией, что является достаточно сложной задачей. Например, сигналы можно создать на компьютере, а затем загрузить их в генератор стандартных функций. Для этой цели также можно использовать микроконтроллеры, программирование которых требует много времени и усилий. Однако, как показано на практическом примере, генератор сигналов произвольной формы и стандартных функций с программным обеспечением двухимпульсного тестирования позволяет легко создавать импульсы заданной длительности для поддержки различных сценариев тестирования. 

Литература