Введение
В статье рассматривается способ формирования и применения двойного импульсного сигнала (опция мультиимпульсного сигнала DG5000 Pro-MPUL) в генераторах стандартных функций и сигналов произвольной формы серии DG5000 Pro производства RIGOL.Опция мультиимпульсного сигнала используется для измерения параметров переключения силовых устройств и оценки их динамических характеристик. Традиционно, для формирования сигналов с двумя или несколькими импульсами с регулируемой длительностью с помощью генераторов произвольной формы сигналов необходимо поточечное редактирование формы сигнала либо в самом генераторе, либо в дополнительном программном обеспечении, что требует больших временных затрат для настройки системы. При определении динамических параметров полупроводниковых силовых компонентов часто возникает необходимость задать такие параметры, как время 1-го включения, время 1-го выключения и время 2-го включения в сигнале с двойным импульсом, исходя из реальных условий испытаний (напряжение, ток, сопротивление затвора, индуктивность нагрузки). Опция мультиимпульсного сигнала предоставляет возможность быстро настраивать импульсы с регулируемой длительностью и другими параметрами, что значительно сокращает время подготовки и проведения тестирования.
Эта возможность генератора помогает быстро измерить следующие параметры переключения.
- Параметры включения: задержка включения tdON, время нарастания tR, время включения tON, энергия включения EON, выброс тока при включении ISpike, скорость нарастания напряжения dv/dt, скорость нарастания тока di/dt.
- Параметры выключения: задержка выключения tdOFF, время спада tF, время выключения tOFF, энергия выключения EOFF, выброс напряжения при выключении VSpike, скорость нарастания напряжения dv/dt, скорость нарастания тока di/dt.
- Параметры обратного восстановления: время обратного восстановления tRR, время обратного восстановления tRR-A и tRR-B, заряд обратного восстановления QRR, энергия обратного восстановле- ния ERR, ток обратного восстановления IRR.
- Параметры заряда затвора: общий заряд затвора QG, заряд исток-затвор QGS, заряд сток–затвор QGD.
- Параметры перекрестных помех: положительный пик перекрестной помехи при включении CT(ON)max, отрицательный пик перекрестной помехи при включении CT(ON)min, положительный пик перекрестной помехи при выключении CT(OFF)max, отрицательный пик перекрестной помехи при выключении CT(OFF)min.
- На уровне кристалла: верификация разработки устройств, формирование технических описаний (datasheet), сравнительный анализ устройств.
- На уровне корпусирования и тестирования: верификация корпусов, разработка силовых модулей.
- На уровне источника питания: квалификационная проверка устройств, выбор компонентов, расчет потерь и тепловое проектирование, проверка драйвера, входной контроль.
- На уровне разработки: научные исследования.
Амплитуда высокого/низкого уровня импульса (тип.): 0–5 В.
Длительность высокого/низкого уровня импульса (тип.):
- мин.: 20 нс;
- макс.: 150 мкс.
- выкл. – функция запуска отключена;
- внешний (Ext) – мультиимпульсный сигнал выдается при поступлении сигнала запуска с заданной полярностью через разъ- ем [AUX IN] на задней панели;
- ручной (Manual) – мультиимпульсный сигнал выдается при запуске вручную;
- по времени (Timed) – мультиимпульсный сигнал выдается при поступлении сигнала запуска, сформированного внутренним тактовым генератором прибора. Интервал генерации сигналов запуска: 5 мкс…8000 с.
Время нарастания/спада (Edge Time): 2 нс…1 мкс.
Импеданс нагрузки (Load Impedance):
- – 50 Ом;
- высокий импеданс (High Z).
- 1st Pt – устанавливает уровень в 1-й точке мультиимпульсного сигнала;
- Top – устанавливает уровень в верхней точке мультиимпульсного сигнала;
- Center – устанавливает уровень в центральной точке мультиимпульсного сигнала;
- Bottom – устанавливает уровень в нижней точке мультиимпульсного сигнала.
Алгоритм настройки и формирования мультиимпульсного сигнала
Чтобы войти в интерфейс настройки мультиимпульсного режима, в интерфейсе настройки расширенных сигналов нажмите или коснитесь кнопки раскрывающегося списка Sub Mode и выберите режим MPulse, как показано на рис. 1.
В интерфейсе настройки мультиимпульсного режима нажмите или коснитесь области Waveform Preview/Editing, чтобы войти в меню настройки мультиимпульсного режима, как показано на рис. 2. В этом меню можно задать количество импульсов, время нарастания/спада, а также длительность высокого и низкого уровней мультиимпульсного сигнала. Для этого необходимо открыть таблицу с основными параметрами импульсов и выполнить необходимую настройку. Для подтверждения и применения изменений нажмите или коснитесь кнопки Apply.
В описанном выше интерфейсе настройки мультиимпульсного режима можно задать все необходимые параметры для тестирования с двойным импульсом, а именно: количество импульсов, высокий/ низкий уровень, длительность высокого/низкого уровня, источник запуска, задержку запуска, время нарастания/спада, импеданс нагрузки, уровень в режиме ожидания, после чего можно приступить непосредственно к проведению измерений.
Тестирование с двойным импульсом
Это стандартный метод оценки характеристик переключения полупроводниковых силовых устройств (например, MOSFET и IGBT). Его основной принцип можно обобщить в виде четырех этапов, показанных на рис. 3.- Установление тока. 1-й импульс включает тестируемое устройство (DUT), в результате чего ток линейно возрастает в индуктивности нагрузки до заданного значения. Длительность этого импульса регулируется для управления величиной тестового тока.
Для получения точного значения тока переключения необходимо настроить длительность 1-го импульса. Чем больше время включения тестируемого устройства, тем выше уровень тока в этот период. Однако чрезмерно большое время включения может привести к на- греву устройства, что повлияет на результаты теста. Рекомендуется выбирать индуктивность нагрузки таким образом, чтобы длительность первого импульса не превышала 10 мкс.
Как упоминалось, с помощью функции мультиимпульсного сигнала можно создавать импульсы различной длительности. После настройки длительности 1-го импульса для получения заданного значения тока переключения можно независимо настроить длительность 2-го импульса. Она обычно выбирается минимально возможной исходя из параметров тестируемого устройства, но при этом должна обеспечивать полное завершение процесса 2-го включения и исключать длительную проводимость, которая может привести к нагреву или повреждению устройства. Возможна также регулировка времен- ного интервала между импульсами для минимизации описанных нежелательных явлений.
Приведем пример схемы подключения и перечня приборов, необходимых для проведения двойного импульсного теста (dual-pulse test) – распространенного метода исследования силовых полупроводниковых приборов (например, MOSFET или IGBT). Особенностью теста является подача на устройство двух последовательных импульсов, что позволяет оценить динамические характеристики DUT, потери и устойчивость к переходным процессам.
На рис. 4 показана типовая конфигурация со следующими приборами RIGOL.
- Генератор сигналов: в этой конфигурации для формирования управляющих сигналов используется генератор сигналов произвольной формы DG5000 Pro с опцией DG5000 Pro-MPUL.
- Источник питания драйвера затвора: в конфигурации для питания драйвера затвора используется источник DP2000.
- Осциллограф: в конфигурации для измерения параметров VGS/VGE, VDS/VCE и IDS/ICE используется цифровой осциллограф серии MHO5000/DHO5000.
- Оптически изолированный пробник: в конфигурации для измерения заряда затвора и перекрестных помех в верхнем плече используется PIA1050.
- Высоковольтный дифференциальный пробник: в конфигурации для измерения VDS/VCE используется PHA5150B.
- Коаксиальный шунт для измерения тока: в конфигурации для измерения IDS/ICE используется коаксиальный шунт по усмотрению пользователя.
- Пассивный пробник: в конфигурации для измерения VGS/VGE нижнего плеча используется RP3500A.
- Высоковольтный пассивный пробник: в конфигурации для измерения VDS/VCE нижнего плеча используется RP1300H.
- анализа переходных процессов и потерь при переключении. Двойной импульсный тест позволяет детально изучить, как изменяются напряжение и ток на силовом ключе в моменты включения и выключения. Это необходимо для точного расчета энергетических потерь, что критично для повышения КПД и надежности устройств;
- исследования характеристик в условиях, близких к реальным. В отличие от идеализированных лабораторных тестов, двойной импульсный тест воспроизводит условия, максимально приближенные к работе в составе фактического преобразователя (например, инвертора). Это дает возможность сравнить полученные дан-ные с результатами моделирования и скорректировать проект;
- оценки быстрых переходных процессов (выбросы, звон). Метод позволяет выявить опасные явления – резкие скачки напряжения и тока, а также высокочастотные колебания, которые могут привести к пробою или ускоренному износу полупроводников. Это важно для выбора защитных цепей и оптимизации компоновки платы;
- проверки системы защиты от короткого замыкания. Тест используется для верификации работы встроенных в драйвер схем защиты: оценивается, как быстро и эффективно драйвер отключает силовой ключ при возникновении короткого замыкания, что напрямую влияет на безопасность и живучесть всей системы.
Приобретение генератора DG5000 Pro c опцией DG5000 Pro-MPUL и вполне доступный по цене набор измерительного оборудования RIGOL позволяют инженерам детально анализировать поведение устройств в реальных условиях эксплуатации, что критически важно при разработке современной силовой электроники.
С подробными техническими характеристиками и функциональными возможностями используемых в описанном тесте измерительных приборов можно ознакомиться на сайте www.rigol-shop.ru официального дистрибьютора RIGOL.