Коммутационные потери являются неизбежными для любого силового полупроводникового прибора. Однако эти потери могут быть минимизированы за счет оптимизации и тщательного измерения параметров, связанных с энергоэффективностью. Предпочтительным методом измерения коммутационных параметров МОП-транзисторов или БТИЗ является двухимпульсное тестирование. Анализируя параметры включения, выключения и обратного восстановления, инженеры могут точно оценить динамические характеристики силовых полупроводниковых приборов и модулей в различных условиях с целью их оптимизации или проверки соответствия фактических значений параметров заданным.
Для выполнения этого теста требуется сгенерировать не менее двух импульсов напряжения различной длительности с точной синхронизацией. Это всегда было довольно сложной задачей, подверженной ошибкам. Однако ситуация изменилась после появления генераторов сигналов произвольной формы и стандартных функций со специализированным приложением для двухимпульсного тестирования. Для упрощения понимания метода двухимпульсного тестирования мы сначала рассмотрим его теоретические основы, а затем на конкретном примере дадим рекомендации по эффективному выполнению 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), характеристики которых превосходно подходят для применения в жестких условиях, например в промышленности и автотранспорте. GaN и SiC обеспечивают компактную эффективную конструкцию прибора и лучшее быстродействие. Как показано на рис. 1, повышать энергоэффективность силовой электроники требуется на всех этапах, начиная с генерации электроэнергии, и заканчивая ее потреблением. Силовые преобразователи используют при генерации, передаче и потреблении энергии, а поскольку ни одна из этих операций не выполняется со 100-процентной эффективностью, то потери энергии имеют место на каждом этапе.
Рис. 1. Потери имеют место при генерации, передаче и потреблении электроэнергии
Как показано на рис. 2, в идеале 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.
Рис. 2. Невозможная на практике идеальная коммутация с нулевыми потерями мощности
Однако на практике потери мощности происходят в основном во время перехода из открытого в закрытое состояние и обратно. Такое неидеальное поведение происходит из-за паразитных элементов в схеме. Как показано на рис. 3, паразитные емкости затвора снижают скорость переключения, увеличивая время включения и выключения. Протекание тока через паразитные сопротивления между стоком и истоком МОП-транзистора вызывает потери мощности. Поэтому инженерам-конструкторам нужно измерять все временные параметры переключения, чтобы свести к минимуму коммутационные потери для создания более эффективных преобразователей.
Рис. 3. Условное графическое обозначение МОП-транзистора (А) и его эквивалентная схема (Б)
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:
· Параметры включения: задержка включения (tзд.вкл), время нарастания (tнр), время включения (tвкл), энергия включения (Eвкл), скорость нарастания тока и напряжения (dv/dt и di/dt). По этим параметрам определяются потери энергии.
· Параметры выключения: задержка выключения (tзд.выкл), время спада (tсп), время выключения (tвыкл), энергия выключения (Eвыкл), скорость спада тока и напряжения (dv/dt и di/dt). По этим параметрам определяются потери энергии.
· Параметры обратного восстановления: время обратного восстановления (tвос.обр), ток обратного восстановления (Iвос.обр), заряд обратного восстановления (Qвос.обр), di/dt и прямое напряжение в открытом состоянии (Vис).
Двухимпульсное тестирование выполняется для решения следующих задач:
· Гарантированно точное определение характеристик силовых полупроводниковых приборов, таких как МОП-транзисторы и БТИЗ.
· Проверка соответствия фактических значений параметров заданным.
· Измерение коммутационных параметров при различных значениях тока и с помощью различных устройств.
Двухимпульсное тестирование выполняют по схеме, показанной на рис. 4. Для тестирования используется индуктивная нагрузка и источник питания. Индуктивная нагрузка имитирует условия работы транзистора в схеме реального силового преобразователя. Генератор сигналов произвольной формы подаёт на затвор МОП-транзистора импульсы, которые отпирают его.
Рис. 4. Двухимпульсное тестирование выполняют с индуктивной нагрузкой и источником питания.
На рис. 5 показаны пути протекания тока на различных этапах двухимпульсного тестирования МОП-транзистора. На рис. 6 показаны пути протекания тока при аналогичном тестировании БТИЗ. На рис. 7 показаны осциллограммы измерений на МОП-транзисторе или БТИЗ в нижнем плече преобразователя.
Рис. 5. Протекание тока при тестировании МОП-транзистора.
Рис. 6. Протекание тока при тестировании БТИЗ.
Рис. 7. Типовые осциллограммы, полученные в результате двухимпульсного тестирования.
Теперь давайте рассмотрим этапы двухимпульсного тестирования и выясним, почему очень важно контролировать длительность и синхронизацию импульсов (эти этапы поясняются рисунками 5, 6, 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 (Iс), как показано на рис. 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-транзисторах или БТИЗ.
· 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 рис. 7 выброс тока вызван обратным восстановлением оппозитного диода из МОП-транзистора или БТИЗ 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 источник-измеритель для подачи питания на нагрузку.
Для выполнения теста генератор сигналов произвольной формы и стандартных функций подключают к схеме управления БТИЗ. Генератор должен быть способен сформировать как минимум два импульса напряжения разной длительности. 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.
Рис. 8. Для выполнения двухимпульсного тестирования нужно, чтобы подключенный к схеме управления БТИЗ генератор сигналов произвольной формы и стандартных функций мог подавать два последовательных импульса напряжения разной длительности.
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 надежных является применение генератора сигналов произвольной формы и стандартных функций со специализированным приложением для двухимпульсного тестирования, интерфейс которого показан на рис. 9. Это программное обеспечение позволяет пользователю настраивать ряд параметров в одном окне, включая следующие:
· количество импульсов: от 2 до 30;
· длительность импульса: от 20 нс до 50 мкс;
· напряжение высокого и низкого уровня;
· задержка запуска;
· источник сигнала запуска: запуск вручную, внешний или по таймеру;
· нагрузка: 50 Ом или высокоимпедансная.
Рис. 9. Программное обеспечение двухимпульсного тестирования повышает эффективность и стабильность измерений в различных сценариях применения.
Выполнение двухимпульсных измерений
Чтобы показать, как выполняется двухимпульсное тестирование, мы взяли показанную на рис. 10 демонстрационную плату от компании ST Micro-Electronics (EVAL6498L) и n-канальные МОП-транзисторы на 600 В с номинальным током стока 7,5 А, также производства ST Micro-Electronics (STFH10N60M2). Соединения были выполнены следующим образом:
· МОП-транзисторы запаяны в плату. Транзистор Q2 – нижнее плечо, Q1 – верхнее плечо.
· Затвор и исток транзистора Q1 были замкнуты, чтобы он не открылся.
· К затвору Q2 был припаян резистор R=100 Ом.
· Канал 1 генератора сигналов произвольной формы и стандартных функций был подключен ко входам PWM_L и GND демонстрационной платы.
· Питание было подключено ко входам Vcc и GND, чтобы запитать ИС управления затвором.
· К выводам HV и GND был подключен источник-измеритель для подачи питания на индуктивную нагрузку.
· Индуктивная нагрузка подключена к выводам HV и OUT.
Рис. 10. В нашем примере двухимпульсного тестирования в качестве «испытательного стенда» используется демонстрационная плата EVAL6498L от ST Micro-Electronics.
После точного выполнения всех соединений, к Q2 (МОП-транзистору нижнего плеча) были подключены пробники осциллографа, как показано на рис. 11. Поскольку напряжение Vзи чувствительно к синфазным помехам, применялся пробник с высоким коэффициентом подавления синфазной помехи. Напряжение Vси измерялось с помощью дифференциальных пробников напряжения, а к выводу истока МОП-транзистора был подключен токовый пробник.
Рис. 11. Точки измерения осциллографом в данном примере.
На генераторе сигналов произвольной формы и стандартных функций была 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 рис. 12.
Рис. 12. Осциллограммы двух импульсов. Выброс тока Iси вызван обратным восстановлением оппозитного диода из транзистора верхнего плеча.
Как можно видеть, формы сигналов схожи с показанными на рис. 7. Выброс тока Iси 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 временных параметров включения и выключения, показанных на рис. 13.
· tзд.вкл: интервал времени между 10 % амплитуды напряжения Vзи и 90 % амплитуды напряжения Vси
· tнр: интервал времени между 90 % и 10 % амплитуды напряжения Vси
· tзд.выкл: интервал времени между 90 % амплитуды напряжения Vзи и 10 % амплитуды напряжения Vси
· tсп: интервал времени между 10 % и 90 % амплитуды напряжения Vси
Рис. 13. Временные параметры включения и выключения, вычисляемые стандартным отраслевым методом.
На рис. 14 показаны захваченные осциллографом сигналы для вычисления параметров включения. Воспользовавшись курсорами, мы смогли получить временные параметры, а затем с помощью математической функции вычислили потери при включении в течение данного перепада сигнала. Для расчета потерь в течение перепада использовалась следующая формула:
Eвкл = 
Vси Iси dt
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.
Рис. 14. Захваченные осциллографом сигналы для вычисления временных параметров включения.
Как и в случае с включением, для получения временных параметров выключения мы использовали курсоры (см. рис. 15), а затем с помощью математической функции вычислили потери при выключении в течение данного перепада сигнала. Потери энергии во время переходного процесса выключения вычислены по той же формуле, что и раньше:
Eвыкл = 
Vси Iси
dt
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.
Рис. 15. Захваченные осциллографом сигналы для вычисления параметров выключения.
Заключительным этапом процедуры тестирования было измерение характеристик обратной полярности диода МОП-транзистора. Ток обратного восстановления возникает при подаче второго импульса. Как показано на рис.16, открытый диод проводит ток прямой полярности в направлении 2. При повторном включении МОП-транзистора 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.
Рис. 16. Ток обратного восстановления возникает при подаче второго импульса.
Измерения выполнялись на МОП-транзисторе верхнего плеча. Были измерены ток Iс через МОП-транзистор верхнего плеча и напряжение Vис на диоде. Обратите внимание, что на рисунке 16 показано, как были получены следующие параметры обратного восстановления. К ним относятся: время обратного восстановления (tвос.обр), ток обратного восстановления (Iвос.обр), заряд обратного восстановления (Qвос.обр), di/dt и прямое напряжение в открытом состоянии (Vис).
Показанные на рис. 17 осциллограммы были захвачены при напряжении 20 В, поданном с источника-измерителя. Используя курсоры, мы смогли получить временные параметры. И опять с помощью математической функции мы вычислили потери обратного восстановления во время данного перепада сигнала. Для расчета потерь в течение перепада использовалась следующая формула:
Eвос.обр = 
Vис Iвос.обр макс dt
С помощью функции интегрирования на осциллографе было получено значение 7 мкДж.
Рис. 17. Данные осциллограммы обратного восстановления были захвачены при напряжении 20 В, поданном с источника-измерителя.
Заключение
Метод двухимпульсного тестирования является предпочтительным для измерения коммутационных параметров и оценки динамических характеристик силовых полупроводниковых приборов. Он позволяет инженерам-разработчикам 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, на программирование которых уходит 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.
