Avalie a eficiência do dispositivo de energia com teste de pulso duplo usando um AFG

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Perdas de comutação são inevitáveis ​​em qualquer dispositivo de energia. Porém, essas perdas podem ser minimizadas através da otimização e medição rigorosa dos parâmetros do projeto relacionados à eficiência de energia.

O método de teste preferido para medir os parâmetros de comutação de MOSFETs ou IGBTs é o método de teste de pulso duplo, usando ferramentas especiais que você tem aqui com este cupom de desconto.

Observando os parâmetros de ativação, desativação e recuperação reversa, os engenheiros podem avaliar minuciosamente os comportamentos dinâmicos dos dispositivos de energia sob uma variedade de condições, seja para otimizar dispositivos ou confirmar o valor real ou o desvio de dispositivos e módulos de energia.

A realização desse teste requer a geração de pelo menos dois pulsos de voltagem com larguras variadas de pulsos e tempo preciso, um processo historicamente demorado e propenso a erros. No entanto, isso está mudando com o advento de geradores de funções arbitrárias (AFGs) equipados com o aplicativo de teste de pulso duplo. Para levá-lo ao caminho da realização do teste de pulso duplo com mais facilidade em seus dispositivos, veremos primeiro a base do teste de pulso duplo. Em seguida, ofereceremos dicas e exemplos para a realização eficiente de testes de pulso duplo usando um AFG e um osciloscópio.

O desafio da eficiência

O mundo da eletrônica de potência está migrando de silício para semicondutores de banda larga, como carbeto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN), devido ao seu desempenho superior em aplicações automotivas e industriais. GaN e SiC permitem um design menor, mais rápido e mais eficiente.

A necessidade de promover maior eficiência energética em eletrônicos de potência se estende do ponto de geração de energia ao ponto de consumo (Figura 1). Os conversores de energia operam em vários estágios ao longo da cadeia de geração, transmissão e consumo e, como nenhuma dessas operações é 100% eficiente, ocorre uma perda de energia a cada etapa.

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Double Pulse Fig1

1. As perdas de energia ocorrem nos pontos de geração, transmissão e consumo.

Idealmente, o dispositivo de comutação está “ligado” ou “desligado” (Figura 2)e alterna instantaneamente entre esses estados. No estado “ligado”, a impedância do comutador é zero e nenhuma energia é dissipada no comutador, independentemente da quantidade de corrente que flui através dele. No estado “desligado”, a impedância do comutador é infinita e a corrente zero está fluindo, portanto, nenhuma energia é dissipada.

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Double Pulse Fig2

2. A comutação ideal tem dissipação de energia zero, mas na prática não é possível.

Na prática, no entanto, a energia é dissipada durante a transição entre “on” e “off” (desligar) e entre “off” e “on” (ligar). Esses comportamentos não ideais ocorrem por causa de elementos parasitários no circuito. Como mostrado em Figura 3, as capacitâncias parasitas no portão diminuem a velocidade de comutação do dispositivo, estendendo os tempos de ativação e desativação. As resistências parasitárias entre o dreno MOSFET e a fonte dissipam energia sempre que a corrente de drenagem está fluindo. Portanto, os engenheiros de projeto precisam medir todos esses parâmetros de tempo para manter as perdas de comutação no mínimo e, por sua vez, projetar conversores mais eficientes.

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Double Pulse Fig3

3. O circuito vê um comutador MOSFET muito diferente do que aparece em um esquema.

O que é o teste de pulso duplo?

O pulso duplo é um método de teste para medir os parâmetros de comutação e avaliar o comportamento dinâmico dos dispositivos de potência. É usado para medir os seguintes parâmetros de comutação:

  • Parâmetros de ativação: Atraso de ativação (td (ativado)), tempo de subida (tr), tem (hora de ligar), Eem (Em energia), dv / dt e di / dt. A perda de energia é então determinada.
  • Parâmetros de desligamento: Atraso no desligamento (td (desativado)), tempo de queda (tf), tfora (hora de desligar), Efora (Energia desligada), dv / dt e di / dt. A perda de energia é então determinada.
  • Parâmetros de recuperação reversa: trr (tempo de recuperação reversa), Irr (corrente de recuperação reversa), Qrr (taxa de recuperação reversa), Err (energia de recuperação reversa), di / dt e VSD (avanço na tensão).
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O teste de pulso duplo é realizado para:

  • Garantia de especificação de folhas de dados de dispositivos de energia, como MOSFETs e IGBTs.
  • Confirme o valor real ou o desvio dos dispositivos ou módulos de energia.
  • Meça esses parâmetros de comutação com várias condições de valor atual e com muitos dispositivos.

O teste de pulso duplo é geralmente realizado como mostrado em Figura 4. O teste é realizado com uma carga indutiva e uma fonte de alimentação. O indutor é usado para replicar as condições do circuito em um design de conversor. Um AFG é usado para emitir pulsos que acionam o gate do MOSFET e o ligam para iniciar a condução da corrente.

Sites Powerelectronics Com Arquivos Powerelectronics com Double Pulse Fig4

4. O pulso duplo é feito com uma carga indutiva e uma fonte de alimentação.

Figura 5 mostra o fluxo de corrente nos diferentes estágios do teste para um teste de pulso duplo com MOSFETs. O mesmo fluxo atual também se aplica ao usar IGBTs (Fig. 6). Figura 7 mostra os resultados típicos das medições que são feitas no lado baixo MOSFET ou IGBT.

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Double Pulse Fig5

5. A corrente segue o fluxo indicado com MOSFETs como dispositivos em teste (DUTs).

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Double Pulse Fig6

6. A corrente segue o fluxo indicado com IGBTs como DUTs.

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Double Pulse Fig7

7. Aqui estão formas de onda típicas que resultam de testes de pulso duplo.

Agora, vamos dar uma olhada nos diferentes estágios do teste de pulso duplo e por que é importante ter controle sobre a largura e o tempo do pulso (observe que essas etapas se referem a As Figs. 5, 6 e 7):

  • A primeira etapa, representada pelo número de pulso ativado 1, é a largura de pulso inicial ajustada. Isso estabelece corrente no indutor. Este pulso é ajustado para obter a corrente de teste desejada (Id) como mostrado em Figura 7.
  • O segundo passo é o desligamento do primeiro pulso, que cria corrente no diodo de rotação livre. O período de desligamento é curto para manter a carga atual o mais próximo possível de um valor constante. Isso pode ser visto em Figuras 5 e 6, conforme a corrente flui através do diodo do MOSFET ou IGBT do lado superior.
  • O segundo passo é representado pelo segundo pulso de ativação. A largura do pulso é menor que o primeiro, para que o dispositivo superaqueça. O segundo pulso precisa ser longo o suficiente para que as medições sejam feitas. A superação atual vista em Figura 7 é devido à recuperação reversa do diodo de rotação livre do MOSFET / IGBT do lado superior.
  • As medições de tempo de desligamento e ativação são capturadas no desligamento do primeiro pulso e no acionamento do segundo pulso.

Configuração de teste de pulso duplo

A configuração do equipamento para a execução de um teste de pulso duplo é relativamente direta (Fig. 8) e comum na maioria dos laboratórios de engenharia. A configuração inclui um osciloscópio de médio alcance, uma sonda com alta rejeição de tensão no modo comum, bem como sondas de corrente e diferenciais, e uma fonte de alimentação dc ou unidade de medida da fonte (SMU) para fornecer a tensão de carga.

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Double Pulse Fig8

8. O pulso duplo depende de um AFG conectado ao driver de porta isolado que pode gerar dois pulsos de tensão com larguras de pulso variáveis.

Para executar o teste, um AFG se conecta ao driver de porta isolado e deve ser capaz de gerar pelo menos dois pulsos de tensão com larguras de pulso variáveis. Como descrito acima, a primeira largura de pulso geralmente é longa e ajustada para obter o valor da corrente de comutação desejado. O segundo pulso precisa ser ajustado independentemente do primeiro e geralmente é mais curto que o primeiro, para que o dispositivo de energia não seja destruído.

Flexibilidade e criação rápida de formas de onda são considerações importantes ao reunir a configuração de teste. O teste de pulso duplo é útil para tudo, desde o nível do componente até o nível do produto final, incluindo pesquisa e desenvolvimento, verificação e caracterização, bem como análise e reparo de falhas de serviço. Considerando esses vários casos de uso, pesquisadores e engenheiros precisam alterar os parâmetros de maneira fácil e intuitiva e executar os casos de teste com alta eficiência e estabilidade.

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Embora existam várias maneiras de criar pulsos manualmente usando um PC ou microcontroladores, uma das mais fáceis e mais confiáveis ​​é com um AFG equipado com um aplicativo de teste de pulso duplo (Fig. 9).

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Double Pulse Fig9

9. O software de teste de pulso duplo melhora a eficiência e a estabilidade de vários casos de teste.

Esse software permite ao usuário ajustar vários parâmetros em uma única janela do aplicativo, incluindo:

  • Número de pulsos: 2 a 30 pulsos
  • Larguras de pulso de 20 ns a 150 μs
  • Alta e baixa tensão
  • Atraso no gatilho
  • Origem do acionador: manual, externo ou timer
  • Carga: 50 Z ou Z alto

Executando medições de pulso duplo

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Double Pulse Fig10

10. Usamos a placa de avaliação STMicroelectronics EVAL6498L como base de teste para o nosso exemplo de teste de pulso duplo.

Para mostrar como realizar testes de pulso duplo, pegamos STMicroelectronics ‘ Placa de avaliação EVAL6498L (Fig. 10) junto com os MOSFETs de 600 V do canal N classificados com corrente de dreno de 7,5 A, também da STMicroelectronics (STFH10N60M2). As conexões de energia foram as seguintes:

  • Os MOSFETs foram soldados na placa. Q2 é o lado mais baixo e Q1 é o lado mais alto.
  • O portão e a fonte no primeiro trimestre precisavam ser em curto, pois o primeiro trimestre não estava ativado.
  • O resistor de porta é soldado para o segundo trimestre. R = 100 Ω.
  • O CH1 do AFG foi conectado às entradas PWM_L e GND na placa de avaliação.
  • Uma fonte de alimentação foi conectada ao Vcc e entradas GND na placa de avaliação para fornecer energia ao IC do driver de porta.
  • Uma SMU foi conectada à HV e GND para fornecer energia ao indutor.
  • O indutor também foi conectado a HV e OUT.

Depois que todas as conexões de energia foram conectadas com segurança, conectamos as sondas do osciloscópio ao Q2 (MOSFET do lado inferior) (Fig. 11). Desde o VGS é suscetível ao ruído no modo comum, usamos uma sonda com uma alta taxa de rejeição no modo comum. Uma sonda de tensão diferencial foi conectada ao VDS e uma sonda de corrente através de um loop foi usada no cabo-fonte do MOSFET.

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Double Pulse Fig11

11. Estes são os pontos de teste de medição de escopo que usamos para este exemplo.

Movendo-se para o AFG, a amplitude dos pulsos foi ajustada para 2,5 V. A largura do pulso para o primeiro pulso foi ajustada para 10 µs, a diferença foi ajustada para 5 µs e o segundo pulso foi ajustado para 5 µs com um gatilho manual . Com a fonte configurada em 100 V e o osciloscópio configurado para realizar uma única medição de disparo, o AFG emitiu os pulsos de saída, resultando nas formas de onda mostradas em Figura 12.

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Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Double Pulse Fig12

12. Observando essas formas de onda de pulso duplo, o excesso de corrente observado em Ids é devido à recuperação reversa do diodo de rotação livre do MOSFET / IGBT do lado superior.

Como você pode ver, as formas de onda se assemelham às ilustradas em Figura 7. A superação atual vista em Ids é devido à recuperação reversa do diodo de rotação livre do MOSFET / IGBT do lado superior. Esse pico é intrínseco ao dispositivo em uso e contribui para a perda de energia.

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Double Pulse Fig13

13. Os parâmetros de ativação e desativação são calculados usando este método padrão do setor.

Para calcular os parâmetros de ativação e desativação, examinamos a borda descendente do primeiro pulso e a borda ascendente do segundo pulso. O método padrão para medir os parâmetros de ligar e desligar é mostrado em Figura 13 e é o seguinte:

  • td (ativado): Intervalo de tempo entre VGS a 10% do seu pico e Vds a 90% da sua amplitude de pico.
  • Tr: Intervalo de tempo entre VDS a 90% e 10% da sua amplitude de pico.
  • td (desativado): Intervalo de tempo entre VGS a 90% do seu pico e Vds a 10% da sua amplitude de pico.
  • Tf: Intervalo de tempo entre VDS a 10% e 90% da sua amplitude de pico.
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Figura 14 mostra as formas de onda capturadas no escopo para parâmetros de ativação. Usando os cursores, conseguimos recuperar o parâmetro de temporização e, em seguida, usamos a função Math para calcular a perda de ativação durante essa transição.

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Double Pulse Fig14

14. Essas formas de onda foram capturadas no escopo de parâmetros de ativação.

A seguinte equação foi usada posteriormente para calcular as perdas de energia durante a transição:

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Eq A

O uso da função integral no escopo deste exemplo específico renderia 4,7 μJ. Essa é uma perda de energia relativamente pequena, pois aplicamos apenas os níveis nominais de tensão e corrente.

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Double Pulse Fig15

15. Essas formas de onda foram capturadas no escopo dos parâmetros de desativação.

Assim como no acionamento, usamos cursores para recuperar os parâmetros de tempo de desligamento, conforme mostrado em Figura 15; mais uma vez, a função Math foi usada para calcular a perda de desligamento durante a transição. Também usamos a mesma equação acima para calcular as perdas de energia durante a transição do desligamento:

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Eq B 1

O uso da função integral no osciloscópio produz 1,68 μJ. Novamente, é uma perda de energia relativamente pequena, pois aplicamos apenas os níveis nominais de tensão e corrente.

A etapa final do procedimento de teste foi medir as características do diodo reverso do MOSFET. A corrente de recuperação reversa ocorre durante a ativação do segundo pulso. Conforme representado em Figura 16, o diodo conduz em uma condição de avanço durante o caminho atual 2. Quando o MOSFET do lado inferior é ligado novamente, o diodo deseja mudar imediatamente para uma condição de bloqueio reverso. No entanto, o diodo conduzirá em uma condição reversa por um curto período de tempo, conhecido como corrente de recuperação reversa. Essa corrente de recuperação reversa é traduzida em perdas de energia, que afetam diretamente a eficiência do conversor de energia.

As medições são realizadas no MOSFET do lado superior. Isso é feito medindo Id através do lado superior MOSFET e VSD através do diodo. Observe que Figura 16 também mostra como os seguintes parâmetros de recuperação reversa são recuperados. Estes incluem trr, EUrr, Qrr, Err, di / dt e VSD.

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Double Pulse Fig16

16. A corrente de recuperação reversa ocorre durante a ativação do segundo pulso.

As formas de onda mostradas em Figura 17 foram capturados a 20 V aplicados a partir da SMU. Usando os cursores, conseguimos recuperar os parâmetros de tempo.

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Double Pulse Fig17

17. Essas formas de onda de recuperação reversa foram capturadas a 20 V aplicadas a partir de uma SMU.

Mais uma vez, usando a função Math, calculamos a perda de energia de recuperação reversa durante essa transição. A seguinte equação foi usada para calcular as perdas de energia durante a transição:

Powerelectronics Com Sites Powerelectronics com Arquivos Eq c 0

O uso da função integral no osciloscópio produz 7 μJ.

Sumário

O teste de pulso duplo é o método de teste preferido para medir os parâmetros de comutação e avaliar o comportamento dinâmico dos dispositivos de potência. Os engenheiros de teste e design que usam esse aplicativo estão interessados ​​em comutar perdas dos conversores.

O teste de pulso duplo requer dois pulsos de voltagem com larguras variadas, o que é um ponto de dor notável devido aos métodos demorados para criar pulsos com larguras variadas de pulso. Alguns desses métodos incluem a criação de formas de onda no PC e o upload para um gerador de funções. Outros usam microcontroladores que exigem muito esforço e tempo para programar. No entanto, como mostrado em um exemplo da vida real, um AFG com software de pulso duplo oferece um método direto para criar pulsos com larguras de pulso variadas para suportar uma variedade de casos de teste.

Hanna Al Fahel é engenheira de aplicações na Tektronix.

Referências

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https://www.tek.com/document/application-note/measuring-power-supply-switching-loss-oscilloscope

https://training.ti.com/understanding-mosfet-datasheets-switching-parameters

https://www.mouser.com/datasheet/2/389/stfh10n60m2-974335.pdf

https://www.st.com/resource/en/data_brief/eval6498l.pdf

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