Двухимпульсное тестирование: как, что и почему.

Тестирование коммутационных характеристик силовых полупроводников в безопасной и контролируемой среде является сложной задачей. Двухимпульсное тестирование - ключевое средство в арсенале инженеров силовой электроники, позволяющее осуществлять всесторонние и точные измерения на ранних этапах проектирования, которое сокращает время выхода изделий на рынок. В статье рассматриваются основные особенности этого метода.

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, непредвиденные технические проблемы на этапе разработки могут привести к отставанию проекта от графика на месяцы или даже годы. особенно часто так происходит на заключительном этапе проектирования. таким образом, чем раньше будут выявлены технические проблемы, тем меньше они скажутся на графике. какое отношение это эмпирическое правило имеет к двухимпульсному тестированию (Double Pulse Testing, DPT)? Cреди многих преимуществ данного метода наиболее ценным является возможность испытать силовой блок в наихудших условиях эксплуатации на ранних этапах проектирования и, таким образом, снизить риск непредвиденных проблем, которые могут возникнуть позже.

DPT-тестирование - средство, которое позволяет замыкать и размыкать силовой ключ при разных уровнях тока, как показано на рисунке 1. Регулируя время коммутации T1, T2 и T3, можно контролировать и измерять во всем диапазоне условий эксплуатации сигналы включения и выключения испытуемого устройства (ИУ).

Рис. 1. Двухимпульсный сигнал

СХЕМА ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

На рисунке 2 показана типичная принципиальная схема экспериментальной установки, работающей по методу DPT. В ней ИУ, в качестве которого выступает ключ SiC MOSFET 2, оснащено средствами измерения тока истока, напряжения сток-исток и напряжения затвор-исток при коммутации этого устройства. Время переключения T1, T2, T3 и, следовательно, токи можно регулировать с помощью программируемого генератора импульсов. Дополнительный ключ SiC MOSFET, или устройство 1, также переключается для реализации синхронного выпрямления. Дроссель нагрузки ограничивает величину изменения тока di/dt.
Рассмотрим ключевые факторы, определяющие выбор этого дросселя.

- Он не должен насыщаться при пиковых испытательных токах.

- он должен ограничивать значение di/dt так, чтобы время переключения (см. T1, T2 и T3 на рис. 1) было не менее 10 мкс и обеспечивалось полное включение или выключение устройств.

- Значение di/dt не должно быть настолько малым, чтобы время коммутации превышало 200 мкс и провал напряжения на шине постоянного тока был больше =5%о. Кроме того, при достаточно продолжительном импульсе тока температура кристалла увеличивается более чем на несколько градусов, что влияет на коммутационные характеристики. 

- Дроссель должен быть установлен достаточно далеко от испытательной установки, чтобы предотвратить электромагнитные помехи или влияние магнитного поля на схемы управления затвором или измерительные приборы.

Уровень напряжения шины постоянного тока можно регулировать с помощью источника постоянного тока. Ответим на часто задаваемые вопросы в этой связи.

Зачем нужен второй импульс? В первом импульсе ток нарастает, а в паузе он коммутируется в комплементарный прибор (диод или синхронный MOSFET). Второй импульс обеспечивает коммутацию испытуемого прибора при номинальных параметрах.

Почему используется конфигурация H-моста, показанная на рисунке 2? Можно ли использовать одиночный полумост с нагрузочным дросселем, подключенным к выводу DC+ или DC-? Действительно, во многих приложениях нагрузка переключается между двумя полумостами, но топология одинарного полумоста с нагрузочным дросселем, подключенным к любой шине постоянного тока, проще и дает точные результаты для большинства условий эксплуатации. рекомендуется использовать полный мост при параллельном тестировании модулей при жесткой коммутации. Этот H-мост также позволяет анализировать характеристики устройства при межфазном коротком замыкании (КЗ 2-го типа).

Можно ли использовать эту схему для испытания трехуровневой топологии? Да. Далее мы подробнее остановимся на этом вопросе.

Почему вывод DC- подключен к земле? При измерении характеристик устройства в нижнем плече и использовании «плавающей» шины постоянного тока вывод DC- заземляется, чтобы заземлить измерительные приборы и использовать несимметричные щупы для измерения напряжения, а не дифференциальные пробники.

Как проверить эффективность коммутации активных ключей в паре с диодами? Активный ключ можно испытывать таким же образом, но прибор настроен на измерение тока и напряжения на диоде.

БЕЗОПАСНОСТЬ

Трудно переоценить необходимость обеспечения безопасности при выполнении двухимпульсного тестирования, т. к. высокое напряжение может оказаться смертельно опасным. По этой причине настоятельно рекомендуется, чтобы высоковольтная часть испытательной установки была заключена в защитный корпус (см. рис. 3). Он предотвращает и от случайного контакта руки с компонентами или от попадания на них кофе, а также, например, от растекания наружу электролита вышедшего из строя конденсатора.

Дополнительный уровень безопасности предусмотрен для «рассеянного» оператора с помощью предупредительного светового сигнала при наличии высокого напряжения и дверцы, которая при ее открытии мгновенно отключает питание и разряжает любые высоковольтные конденсаторы.

Перечислим некоторые рекомендации, которые следует принять во внимание.

- Соблюдайте все инструкции по охране труда и технике безопасности.

- Все высоковольтные компоненты должны находиться в надежном корпусе, который защищает от случайного контакта с цепями высокого напряжения и обеспечивает физический барьер во время серьезных сбоев.

- Отключите источники высокого напряжения и разрядите все высоковольтные конденсаторы перед доступом к цепям высокого напряжения внутри корпуса. Использование разрядного резистора обеспечивает дополнительный уровень безопасности.

- Используйте надежное заземление для измерительных приборов. Применяйте безопасные средства для измерения параметров верхнего плеча (например, дифференциальных пробников). Обеспечьте хорошее заземление с низким сопротивлением для монтажной платы модуля и заключите в корпус металлическую конструкцию или поверхности.

- В случае отказа модуля убедитесь, что источник постоянного высокого напряжения оснащен функцией ограничения тока или быстродействующими предохранителями.

- Никогда не работайте в одиночку при высоком напряжении.

- Убедитесь, что все пользователи оборудования прошли надлежащую подготовку по технике безопасности и оказанию первой помощи.

- Убедитесь, что на оборудовании имеется четко обозначенная и легкодоступная кнопка аварийного отключения питания.

Как видно из рисунка 2, можно заземлить минусовый вывод DC при измерении компонентов нижнего плеча и, таким образом, использовать измерительные приборы с безопасным заземленным потенциалом. Для измерения компонентов верхнего плеча используются изолированные датчики тока и датчики дифференциального напряжения, что позволяет работать осциллографу при безопасном нулевом потенциале.

Испытания рекомендуется выполнять в присутствии напарника, чтобы при случае он мог сделать непрямой массаж сердца и вызвать скорую помощь. Наконец, следует учитывать, что при проведении испытаний на коммутацию микросхем поверхности компонентов разогреваются до температуры выше 50°C и контакт с ними может вызвать ожоги.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Для измерения напряжений ИУ, как видно из рисунка 2, можно использовать несимметричные пробники. На рисунках 4-5 демонстрируются способы уменьшения индуктивности контура и наводок в измерительном тракте. из рисунка 5 видно, что несколько витков вокруг ферритового сердечника влияют на величину синфазного импеданса.

Для измерения напряжения при опорных потенциалах, отличных от земляного, требуются дифференциальные пробники, которые выбираются с высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала, поскольку значения dv/dt ИУ могут оказаться очень большими относительно земли осциллографа. Убедитесь, что у всех измерительных щупов - требуемое номинальное напряжение.

Чтобы измерить фактический коммутационный ток устройства, датчик тока следует вставить в коллектор/эмит-тер или исток/сток испытуемого устройства. Поскольку измерения требуется выполнить с высокой точностью, необходимо избежать добавления большой индуктивности контура, которая исказила бы любые результаты. С этой целью применяется несколько типовых методов. Мы рассмотрим два из них.

Датчики тока компании Pearson Electronics [2], которые обладают очень широкой полосой пропускания и точностью. Однако их недостаток в том, что они имеют большой размер, что затрудняет такое включение в силовую цепь, которое не увеличило бы индуктивность контура. Эти датчики имеют металлический корпус, который может затруднить изоляцию от токоведущих шин и т. д.

Катушки Роговского [3], полоса пропускания которых достигает 30 МГц, чего достаточно для многих приложений. рассогласование задержки распространения сигнала в катушках компенсируется с помощью осциллографа. Благодаря гибкости они легко устанавливаются в силовую цепь. На рисунках 6-8 показано их использование в 62-мм модуле EconoDUAL 3 с небольшими опорными изоляторами и в модуле PrimePACK. При необходимости можно отрезать небольшую часть изолирующего пластика, чтобы уместить катушку. В том случае, если у высокомощного модуля имеется более одного винтового соединения для тока коллектора или эмиттера, применяется более одного датчика. На рисунке 9 показан пример использования катушки на печатной плате с контуром вокруг токонесущей дорожки. В таком случае необходимо, чтобы печатная плата была разработана с учетом использования катушки Роговского.

На рисунке 10 показан типичный датчик тока от компании Pearson Electronics и датчик Роговского. Токовые шунты применяются, например, в случае слаботочных устройств для такого включения в схему, которое не приводит к значительному увеличению индуктивности контура.

ИСПЫТАНИЯ ТРЕХУРОВНЕВОЙ ТОПОЛОГИИ

Применение метода DPT в испытаниях трехуровневой топологии требует дополнительного рассмотрения. Воспользуемся рисунком 11, на котором показана исходная топология NPC (Neutral Point Clamp - фиксация нейтральной точки); последовательность осуществления коммутации представлена в таблице. Тестовая последовательность 1 показывает последовательность переключения между нейтральной точкой и шиной DC-. Тестовая последовательность 2 описывает последовательность коммутации между нейтральной точкой и шиной DC+. Для измерения характеристик комплементарных устройств нагрузочный дроссель устанавливается между выходом и DC+, и используется дополнительная коммутационная последовательность. Заметим, что ключ S1 всегда должен быть разомкнут до размыкания ключа S2 во избежание падения всего напряжения шины на S1.

КАКОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ СЛЕДУЕТ ВКЛЮЧИТЬ В DPT-ИСПЫТАНИЯ

Мы показали, как переключается ИУ при разных напряжениях и токах. Третьим ключевым параметром, который влияет на коммутационные характеристики силового полупроводника, является температура. Она регулируется, если установить ИУ на пластину, которую можно нагревать или охлаждать. Для измерений при температурах ниже 0°C, которые достигаются путем охлаждения пластины, испытательное оборудование устанавливается в климатическую камеру, а температуру уменьшают до -20 или -40°C в зависимости от условий применения.

С помощью этого набора из трех переменных ИУ может работать в определяющих пиковых рабочих точках, например при максимальном напряжении на шине, максимальном токе, но при низкой рабочей температуре. Использование этой комбинации может привести к максимальному выбросу напряжения при выключении и потому имеет решающее значение для того, чтобы ИУ оставалось в пределах безопасной рабочей зоны обратного смещения (RBSOA). Характеристики активного ключа и любого дополнительного диода рекомендуется снимать в этом диапазоне условий эксплуатации.

Таблица. Тестовая схема коммутации

Рассмотрим также несколько других испытаний.

- Межфазные и сквозные схемы защиты от короткого замыкания и перегрузки по току. Следует проявлять осторожность, особенно в отношении силовых модулей с более высоким током, т. к. из-за более высоких уровней di/dt по сравнению с теми, которые возникают во время КЗ, может появиться связь магнитного поля шин и кабелей с цепями драйверов затворов, источников питания и измерительных приборов.

- При необходимости ограничить dv/dt определенной величиной, как это часто требуется в приложениях по управлению приводом, регулируется значение резистора затвора.

- Точное измерение коммутационных потерь устройства. Хотя техническая спецификация является хорошей отправной точкой для оценки потерь в ключах, условия эксплуатации на практике, как правило, отличаются от использованных для расчета значений, указанных в техническом описании [4]. Из-за этих различий, например между индуктивностями драйвера затвора и шины, значения энергии коммутационных потерь отличаются от указанных в техописании. Для оценки эффективности системы и максимальной температуры перехода силовых полупроводников необходимо измерить эти динамические потери.

- Измерение индуктивности коммутационного контура переключения, di/dt и выброса напряжения позволяют определить факторы, учитываемые при расчете области RBSOA силового устройства.

- Измерение времени переключения позволяет оценить значения мертвого времени или задержку отключения для предотвращения сквозного короткого замыкания [5].

- В полумостовой топологии рекомендуется проверить сигнал затвора устройства в верхнем плече в выключенном состоянии при включении устройства в нижнем плече, чтобы установить возможность паразитного включения из-за емкости Миллера.

- Размер выборки и вариация параметров от устройства к устройству - предмет отдельного обсуждения. На практике не представляется возможным, например, измерить параметры ста устройств и провести статистический анализ вариаций всех параметров на основе полученных результатов. Разработчикам рекомендуется сотрудничать с выбранным поставщиком силовых полупроводников, чтобы ограничить масштаб любых вариаций и получить высококачественные компоненты.

ПРЕИМУЩЕСТВА ТЕСТИРОВАНИЯ

Для создания измерительной установки с целью проведения DPT-испытаний требуются значительные вложения. Необходимо также обеспечить их возврат. Одним из преимуществ использования собственной установки является то, что безопаснее и быстрее осуществлять измерения в контролируемых условиях DPT-испытаний, чем выполнять их с помощью готовой сборки преобразователя, в которой, например, трудно контролировать или измерять температуру перехода.

Если сигналы и результаты испытаний сохранить в качестве исходных данных, то ими можно будет воспользоваться для оценки эффекта любых изменений изделия, если они потребуются в дальнейшем на этапе разработки или производства.

Точное измерение коммутационных потерь критически важно для оценки температуры перехода устройства в наихудших условиях эксплуатации.

Наличие стандартного плана испытаний и установки позволяет во всех проектах силовых преобразователей использовать общий процесс аттестации. Запуск этих испытаний на ранних этапах цикла проектирования и возможность решить любые возникшие проблемы позволят успешно выполнить любой проект.

Ключевой вопрос заключается в том, на каком этапе проектирования следует проводить такое тестирование. В этом вопросе следует руководствоваться здравым смыслом и стараться осуществлять испытания по возможности раньше, когда проект приобретает основные черты готовой системы.

Заметим, что DPT-испытания могут охватывать наибольшую часть условий эксплуатации силовых полупроводников, но эти тесты не в состоянии полностью смоделировать работу всего преобразователя. Эти испытания не выявляют такие факторы как шум в линиях управления, ошибки программного обеспечения и магнитные поля, которые влияют на надежность работы силовых ключей. Проведение DPT-тестов требует времени и немалых усилий. Однако эти усилия окупаются с точки зрения безопасности, точности, надежной эксплуатации изделий и сроков выполнения проекта.

ЛИТЕРАТУРА

1. David Levett, Ziqing Zheng and Tim Frank. Double Pulse Testing: The How, What and Why Bodo's Power Systems. April 2020//www.bodospower.com.

2. Сайт Pearson current sensors // www.pearsonelectronics.com.

3. Сайт Rogowski coil//www.pemuk.com.

4. Infineon application note AN 2011-05 V1.2. November 2015. Industrial IGBT Modules Explanation of Technical Information.

5. Infineon application note AN 2007-04. How to calculate and minimize the dead time requirements for IGBTs properly.

Опубликовано в журнале "Электронные Компоненты" №3, 2021 г.