Современная электроника №4/2020

ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 34 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2020 Оценка эффективности силового полупроводникового прибора методом двухимпульсного тестирования Актуальная задача снижения коммуникационных потерь в силовой полупроводниковой электронике зачастую требует нетривиальных методов решения. Одним из доступных и эффективных подходов в данной области является двухимпульсное тестирование с применением генератора сигналов произвольной формы. Состояние «открыто» Состояние «закрыто» U AB × I AB = P DISS = 0 I AB (U AB = 0) U AB (I AB = 0) A B A B а б Андреа Винчи (Tektronix) Коммутационные потери являют- ся неизбежными для любого силового полупроводникового прибора. Однако эти потери могут быть минимизирова- ны за счёт оптимизации и тщательно- го измерения параметров, связанных с энергоэффективностью. Предпо- чтительным методом измерения ком- мутационных параметров МОП-тран- зисторов или БТИЗ (биполярных транзисторов с изолированным затво- ром, IGBT) является двухимпульсное тестирование. Для оптимизации или проверки соответствия фактических параметров заданным инженеры могут точно определить динамические харак- теристики силовых полупроводнико- вых приборов и модулей в различных условиях посредством анализа параме- тров включения, выключения и обрат- ного восстановления. Для выполнения такого теста тре- буется сгенерировать не менее двух импульсов напряжения различной длительности с точной синхрониза- цией. Это всегда было довольно слож- ной задачей, сопряжённой с различ- ными ошибками. Однако ситуация изменилась после появления генера- торов сигналов произвольной фор- мы и стандартных функций со спе- циализированным приложением для двухимпульсного тестирования. Для упрощения понимания метода двух- импульсного тестирования сначала рассмотрим его теоретические осно- вы, а затем на конкретном примере дадим рекомендации по эффективно- му проведению тестов с помощью гене- ратора сигналов произвольной формы и осциллографа. Проблема эффективности Вместо кремния в качестве основы силовых полупроводниковых при- боров всё чаще применяют полу- проводники с широкой запрещён- ной зоной, такие как карбид кремния (SiС) и нитрид галлия (GaN), которые по характеристикам превосходно под- ходят для применения в жёстких усло- виях эксплуатации, например в про- мышленности и автотранспорте. GaN и SiC обеспечивают компактную эффек- тивную конструкцию прибора и луч- шее быстродействие. Как показано на рисунке 1, повышать энергоэффектив- ность силовой электроники требует- ся на всех этапах: начиная с генера- ции электроэнергии и заканчивая её потреблением. Силовые преобразо- ватели используются при генерации, передаче и потреблении энергии, а поскольку ни одна из этих операций не выполняется со 100% эффективно- стью, то потери энергии присутствуют на каждом этапе. Как показано на рисунке 2, в идеаль- ном случае коммутирующее устрой- ство должно находиться в состояниях «открыто» или «закрыто» с мгновенным переключением между ними. В состо- янии «открыто» импеданс устройства равен нулю, и оно не рассеивает мощ- ность вне зависимости от величины протекающего через него тока. В состо- янии «закрыто» импеданс бесконечно велик, ток не протекает и мощность не рассеивается. Однако на практике потери мощ- ности происходят в основном во вре- мя перехода из открытого в закрытое состояние и обратно. Такое неидеаль- ное поведение происходит из-за пара- зитных элементов в схеме. Как показа- но на рисунке 3, паразитные ёмкости Рис. 1. Источники потерь электроэнергии Промышленное оборудование Потери в силовом преобразователе генератора перед передачей в ЛЭП Генератор электроэнергии (например, фотоэлектрический или ветряной) Подстанции и трансформаторы Место потребления (например, производственное предприятие) Потери в ЛЭП, включая преобразование напряжения Потери в преобразователе конечного потребителя Рис. 2. Идеальная коммутация с нулевыми потерями мощности Рис. 3. Условное графическое обозначение МОП-транзистора (а) и его эквивалентная схема (б)