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SiC 器件的双脉冲测试探讨

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双脉冲测试(DoublePulse Test)是一种在电路变换器设计早期,对功率器件进行开关性能测量的方法,它非常有助于在产品设计中,把控产品设计周期,节省产品推向市场的时间。本文通过几个方面的内容,讨论一下DPT的测试方法,安全注意事项,测试电压及电流的注意事项,及DPT测试的投入对应的产出等。


.双脉冲测试的概念及测试方法

如前所述,DPT测试最主要的价值,在于在产品设计早期,在最差条件下去测试电路的性能,以评估开关器件的特性,它可以减小实际设计产品所面临的一些不可预期的风险。

1 典型的双脉冲波形


典型的双脉冲波形如图1所示,通过调整功率器件的开通和关断时间,T1,T2,T3,则可以评估在不同的电流下的全范围运行条件,相当于在一种可控条件下去做这个测量。

2 典型的DPT测试电路


典型的HDPT测试电路如图2所示,被测对象DUTH桥左下的功率器件,例如,这是一个SiC mosfet器件,由图上可知,当电路处于开关状态时,它通过一系列测试设备去测试其源极电流,漏极电压,门级电压等,通过脉冲产生器可以调整T1,T2,T3的波形宽度,因此电感及开关电流也得到了调整,H桥左上的开关器件,例如,也是SiC mosfet,作为被测试SiC的互补开关,以同步整流方式运行,负载电感用于限制电流的上升率di/dt.在上述测试电路中,外加的DC电压是可以调整的。


此处,负载电感是DPT测试中的一个重要器件,对其的选型需要注意以下方面:

1.      需要注意在峰值测试电流下不能饱和

2.      电感的位置要远离测试设备,以免EMI干扰或者磁场耦合到驱动电路或者测试仪器

3.      di/dt不要太小,以免开关时间太长大于200uS,影响开关性能

4.      电流脉冲太宽的话,温度会上升,影响开关性能

5.      di/dt不要太大,否则开关时间T1,T2,T3小于10u的话,可能让开关不能充分导通或者关断


在选择电感时,需要严格审核是否满足以上条件,避免对测试结果的不好的影响。


大家可能会想,在上述图1的典型DPT波形中,为什么需要两个脉冲呢?实际上,通过控制T1T2的时间,我们可以控制在T3时加在电感上的电流,相当于通过建立互补开关上的电流,而改变被测开关上的电流,这时候反向恢复的性能就可以很容易测到。


另外,值得说明的是,这里典型电路上是两个半桥组成的H桥,实际上,通过一个半桥连接负载电感,然后接在DC 或者DC-上,也可以测试开关性能。采用图2的典型电路,只是因为这是一些典型应用的拓扑(如三电平拓扑),它代表了实际应用的情况,当然,在不需要在两个桥之间切换负载电感时,也可以通过单个半桥连接电感,再连接到DC电源上,也可以得到精确的测试结果。


假设我们要测试性能的器件是左侧桥臂的上管呢?很显然地,在上述电路设置中,将相关电压和电流探头接到上管中,而下管还是按照原有方式进行开关,则可以测试到上管的性能波形,这个上管可以是开关管,也可以是续流二极管。


前面我们探讨了DPT测试的一些基本方法,接下来,我们从安全的角度看看应该注意哪些方面。


.DPT测试的安全注意事项

在电路测试中,高电压本来就很危险,另外,当电路发生失效时,除了致命的高压会暴露之外,可能一些有害物质会喷射出来,如电解电容的电解质等。所以非常有必要将高压测试电路放在一个保护罩中,避免发生伤害,典型的高压电路保护罩,如图3所示。

3 典型DPT测试保护罩


也可以通过警示灯来告诉实验操作者,有高压的裸 露。除此之外,当安全门打开时,高压可能会裸 露,那么会自动触发电路切断电源,并且给高压电容放电。


如下的一些安全操作规范一定要遵守

1.      一定要将高压电路放在保护罩中,避免偶然接触到高压,即使发生了失效,也会有一层保护屏障

2.      当需要操作高压电路时,必须断开高压电源,让高压电容放电,必要时加永久放电电阻

3.      正确的测试接地,如用差分探头测试高边器件的电压,且被测模块需要有良好的低阻抗接地路径

4.      如模块可能会失效,则确保高压电源一定要有限流功能

5.      不要单独去操作高压测试,遵守“同伴原则”,必要时,另外的人可提供急救

6.      确保对仪器使用者的正确的安全和急救培训

7.      确保断电按钮有清晰的标志且容易找到

 

特别注意的是,当需要测试器件的高温性能时,一定要注意防止烫伤,因为此时的器件温度会很高,

 

三.电压及电流的测试注意事项

在低边器件的测试时,可以使用单端探头,此时可以使用探针来尽可能地减小探头测试环路的电感,如图4所示。


4 电压测试减小测试环路电感


同时,在测试探头上增加对信号的共模阻抗,可以通过在铁氧体磁芯上增加几圈探头绕线,如图5所示。

5 增加共模阻抗的电压探头


当测试高边器件时,注意使用差分探头,由于接地端是高频dv/dt信号,因此探头的共模抑制比要高,减小对信号的影响。最基本的一个要求是,探头需要有足够的耐压避免过压损坏,或者说不要使被测电压高于电压探头的耐压。


测试电流信号时,注意在源极或者漏极接入电流传感器,此时需要尽可能地减小环路电感,或者引入噪声以避免使得信号畸变。


一种电流传感器是Pearson电流传感器,它的特点是精度高,带宽高,但是尺寸大,在测试中不容易得到小的回路电感,且它是金属外壳,不方便和高压进行隔离。


另外一种常用的电流传感器是Rogowski,罗氏线圈,它的特点是带宽比较高,达到15M-30M,且用示波器测试电流时,可以通过示波器补偿信号的delay,同时它的一个优势是小巧灵活,方便接到电路中,而保持小的测试回路电感。图789,10给出了四种典型的罗氏线圈测试场景,两种电流传感器的比较图如图6所示。

6 Pearson线圈和罗氏线圈的直观比较



7 罗氏线圈测试典型场景1

8 罗氏线圈测试典型场景2

9 罗氏线圈测试典型场景3


10 罗氏线圈测试典型场景4


10给出了一个用罗氏线圈测试PCB走线电流的示例,这种方式,需要提前在PCB上留下测试穿孔。


在测试过程中,影响开关性能的一个典型因素是器件温度,那么控制温度就变得非常重要,一般来说,需要将被测模块DUT安装在金属板上,以方便加热或者冷却。当测试低温时,可以将DUT放在冷却板和冰水上,整个设备再放在温箱中,可以根据需要,将温度减小到-20C或者-40C.


四.其它测试注意事项

DPT测试中,除了一般的Corner测试外,还有一些注意事项需要说明。当测试短路或者过流性能时,包含相和相之间的短路,或者上下桥臂短路等,尤其是大电流模块,在快速的di/dt下产生的强的磁场会导致对驱动电压及总线电压的干扰,也会造成对电源和测试仪器的干扰等。

 

如果开关的dv/dt需要限制在一定的水平,那么可以通过在门级加电阻来调整开关速度。由于器件规格书上不可能展示出所有条件的开关损耗数据,那么,通过测试,就可以精确的得到器件的开关损耗,这对于估计效率和计算结温非常重要。


通过测试di/dt,电压过冲,开关环路电感等,可以对理解如何设计器件的RBSOA有很大帮助,这里解释一下,RBSOA就是反向偏置安全工作区的意思。

 

当测试半桥的下管的性能时,同时需要注意检测一下上管的门级波形,以免在下管开通上管关断时由密勒效应导致的误开通。

 

由于DPT测试不可能是针对每一个器件个体的,所以工程师需要和供应商确认好器件的参数一致性,以及生产的品质管控等。


五.DPT测试的好处

既然提了这么多注意事项,显然实施者需要做很大的投入,那么它的回报是什么呢?


首先,可以在安全可控的条件下,提前测试器件的性能,避免在正式产品上去面临一些不可预期的问题,保留的波形和测试结果,可以作为更改设计的参考。


其次,精确测量开关损耗,除了可以估计最差情况的结温,还可以形成一个针对所有变换器的设计流程模板。


最后,DPT测试,可以避免设计过程中的问题导致的时间delay,可以更好地控制产品开发进度。

 

但是DPT测试也有一定的局限性,比如,它能覆盖功率器件大部分的运行条件,但是,诸如线路噪声干扰,磁场干扰,软件问题等,它是无法测试的,这些问题不会在测试中发现。

 

综上,我们探讨了DPT测试的基本电路及基本概念,接着从安全的角度探讨安全测试的方面,后面重点关注了电流和电压信号测试的注意事项,同时也讨论了一些其它注意事项,最后强调了DPT测试的优势及局限性,可以通过本文对DPT测试有一定的理解。


参考文献:Infineon-Double_pulse_testing-Bodos_power_systems-Article-v01_00-EN


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来源:电源漫谈
科普电源电路控制
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首次发布时间:2022-09-19
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