Рубрики
Источники питания

Новое поколение испытательного оборудования для силовых полупроводниковых устройств

Новое поколение испытательного оборудования для силовых полупроводниковых устройств Владимир Веревкин Виктор Костусяк Сергей Лютиков Завышенные требования, предъявляемые к качеству

Новое поколение испытательного оборудования для силовых полупроводниковых устройств Владимир Веревкин
Виктор Костусяк
Сергей Лютиков

Завышенные требования, предъявляемые к качеству силовых полупроводниковых устройств (СПП) большой мощности, обеспечивается только с применением высокоточного измерительного оборудования. К примеру, при параллельном включении массивных диодов либо тиристоров удовлетворительное токораспределение можно получить при разбросе значений прямого импульсного напряжения (для тиристоров — импульсного напряжения в открытом состоянии) порядка ±0,01 В. Такие требования по точности обеспечиваются на измерительном оборудовании с общей погрешностью измерений 1,0–1,5%, а не 5%, установленной эталоном.

Требование эталона [1] к погрешности определения циклического и неповторяющегося напряжений при испытании высоковольтных силовых полупроводниковых устройств также является недостающим. При погрешности измерений 10% абсолютная погрешность для силовых полупроводниковых устройств 40-го класса составляет ±400 В, что не только лишь не устраивает потребителей, да и не позволяет корректно задать режимы при измерении динамических характеристик.

Основной составляющей погрешности измерений характеристик силовых полупроводниковых устройств является низкая точность задания характеристик испытательного воздействия (силовых импульсов). Силовые части измерительного оборудования обычно производятся на базе LC- либо RC-контуров [1, 2, 3], в особенности для измерения характеристик массивных силовых полупроводниковых устройств. Построение формирователей на пассивных элементах не позволяет получить точность задания характеристик испытательных импульсов выше, чем 5–10%.

Кардинальным решением является построение силовых частей испытательного оборудования на базе активных формирователей — источников импульсного тока либо напряжения, обеспечивающих стабилизацию характеристик испытательного воздействия. Регулирующий элемент такового формирователя обязан иметь высочайшее быстродействие, значимый коэффициент усиления и огромную импульсную рассеиваемую мощность. Применение массивных IGBT не решает делему, потому что они предусмотрены, в главном, для внедрения в главном режиме, а в усилительном режиме работы имеют низкие граничные частоты.

Предъявляемым требованиям в наибольшей степени соответствуют современные полевые транзисторы. Большая мощность, малые утраты в открытом состоянии, высочайшее быстродействие, устойчивая работа в усилительном режиме и большая крутизна усиления при огромных токах делают MOSFET фактически неподменными элементами для построения силовой части измерительного оборудования. Не считая того, MOSFET допускают параллельное соединение без дополнительных схемных издержек, что позволяет строить источники импульсного тока на 10–20 кА.

На ООО «Элемент-Преобразователь» (г. Запорожье, Украина) создано новое поколение оборудования для измерений характеристик силовых полупроводниковых устройств.

Для измерения характеристик ВАХ силовых полупроводниковых устройств в открытом состоянии — импульсного напряжения в открытом состоянии (Utm), порогового напряжения (Uо) и динамического сопротивления (Rd) — разработана установка УП-32. Многофункциональная схема установки представлена на рис. 1. Силовая часть установки выполнена по схеме источника тока и состоит из 10 схожих по схемному построению и конструкции блоков, соединенных параллельно.

Новое поколение испытательного оборудования для силовых полупроводниковых устройств

Применение в качестве активного формирователя управляемого источника силового тока исключает зависимость амплитуды и формы испытательного импульса от конфигураций значений емкости накопительных конденсаторов и напряжения на их. Это позволило выполнить накопитель на компактных электролитических конденсаторах, не утратив при всем этом точность задания характеристик создаваемого импульса тока.

В процессе испытаний через испытуемый прибор пропускается однократный трехступенчатый импульс тока, что обеспечивает требование полного включения полупроводниковой структуры большой площади при малых энергетических издержек [4]. Продолжительность первой ступени составляет более 3,5 мс, амплитуда регулируется от 100 до 500 А. Продолжительности 2-ой и третьей ступеней составляют более 300 мкс. Амплитуды этих ступеней регулируются от 200 до 12 500 А. На 2-ой ступени измеряется значение импульсного напряжения, нужное для определения порогового напряжения и динамического сопротивления, на третьей ступени измеряется значение Utm.

Блок управления установки представляет собой мультипроцессорную систему на базе процессоров Atmel. Измеритель моментальных значений тока и напряжения выполнен на 12-разрядном АЦП Analog Devices. Форма испытательного воздействия задается 12-разрядным ЦАП. По окончании измерений на индикаторы выводятся четыре значения: амплитуда тока, при которой выполнялось измерение Utm, значение Utm, Uо и Rd. Погрешность измерений напряжения и тока во всем спектре составляет менее 1%.

Для обеспечения измерений напряжения с точностью порядка ±10 мВ нужно исключить воздействие на итог измерений электрической составляющей, обусловленной протеканием в силовой цепи импульсов тока с амплитудой порядка 10 кА. С этой целью установка силовой части установки и ее подключение к испытуемому прибору выполнены в виде бифилярных линий с малой своей индуктивностью.

По аналогичным схемотехническим и конструктивным решениям выполнены источники прямого и оборотного импульсов тока установки для измерения времени выключения. Отличия обоснованы требованиями по более высочайшему быстродействию формирователя. Многофункциональная схема установки приведена на рис. 2. Формирователь импульсов прямого и оборотного токов представляет собой усилитель с двухтактным выходом, несимметричным (плюс 25 В и минус 100 В) напряжением питания и глубочайшей оборотной связью по току. Развязка низковольтных источников тока от высоковольтного источника повторного напряжения осуществляется стремительно восстанавливающимися диодиками VD1 и VD2 и запираемым тиристором VT1.

Новое поколение испытательного оборудования для силовых полупроводниковых устройств

Главные технические свойства установки:

  • амплитуда импульса прямого тока — от 200 до 2000 А;
  • уровень ограничения оборотного тока равен амплитуде импульса прямого тока;
  • скорость спада прямого тока — от 5 до 200 А/мкс (малая продолжительность фронта спада тока составляет 10 мкс);
  • скорость нарастания повторного напряжения — от 20 до 200 В/мкс;
  • амплитуда импульса повторного напряжения — от 500 до 2000 В;
  • спектр измеряемых значений времени выключения — от 15 до 1000 мкс.

Все характеристики регулируются независимо друг от друга.

Очередной принципной особенностью установки является построение источника импульсов повторного напряжения. Источник состоит из восьми соединенных поочередно формирователей, любой из которых сформировывает импульс напряжения трапецеидальной формы с линейным фронтальным фронтом. Выходной импульс источника, прикладываемый к испытуемому прибору, имеет крутизну и амплитуду, пропорциональную количеству источников.

Схема формирователя напряжения представлена на рис. 3. Формирователь выполнен по схеме параметрического источника тока на MOSFET, работающего на емкостную нагрузку. Для исключения воздействия конфигурации барьерной емкости испытуемого прибора на форму фронтального фронта импульса напряжения оборотная связь по току берется только с резистора R1, включенного поочередно с формирующим конденсатором С2. Амплитуда выходного импульса напряжения регулируется методом конфигурации напряжения на стоке транзистора.

Новое поколение испытательного оборудования для силовых полупроводниковых устройств

Таковой же формирователь импульсов напряжения является основой установки для определения критичной скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии (dU/dt)крит.

Преимущество предложенного решения по построению источников импульсов напряжения заключается в последующем. Обычно высоковольтные формирователи с регулируемыми амплитудой и скоростью нарастания импульсов строятся или на лампах, или в виде поочередно включенных транзисторов, присоединенных к источнику высочайшего напряжения. Пробой 1-го из транзисторов приводит к перегрузке и вероятному выходу из строя других транзисторов устройства. При поочередном выключении функционально законченных формирователей импульсного напряжения пробой 1-го из транзисторов просто приводит к уменьшению выходного напряжения без перегрузки оставшихся частей схемы.

Установка для определения (dU/dt)крит. обеспечивает измерение тиристоров классов от 5-го по 42-й (амплитуда выходного напряжения от 335 до 2814 В задается с погрешностью менее 5%) и имеет спектр по регулированию скорости нарастания фронтального фронта импульсов напряжения от 50 до 2500 В/мкс. Отклонение крутизны напряжения от данного значения в спектре от 0,1 до 0,9 амплитуды — менее 5%. Высочайшая достоверность результатов измерений обоснована и тем, что при включении испытуемого тиристора по превышению (dU/dt) формирователь обеспечивает протекание через него импульса тока с амплитудой около 10 А.

Схемотехнические решения, положенные в базу силовой части установки для определения наибольшей ударной мощности оборотных утрат, несколько отличаются от рассмотренных выше. Источник импульсов полусинусоидальной формы [1] с напряжением до 7,5 кВ и наибольшей импульсной мощностью более 40 кВт реализован в виде источника тока на MOSFET, работающего на импульсный трансформатор (рис. 4). Глубочайшая оборотная связь по току с вторичной обмотки трансформатора позволяет обеспечить точность поддержания формы испытательного импульса и стабильность его амплитуды при нелинейном нраве нагрузки.

Новое поколение испытательного оборудования для силовых полупроводниковых устройств

Через испытуемый диодик пропускается двухуровневый импульс тока. Сначала формируется импульс тока трапецеидальной формы с амплитудой 100 мА, созданный для вывода испытуемого диодика на начало лавинного пробоя и измерения его напряжения. Потом ток возрастает и на участке лавинного пробоя имеет полусинусоидальную форму с продолжительностью по уровню 0,5 от амплитудного значения 100 мкс. Амплитуда импульса регулируется от 100 мА до величины, ограниченной наибольшей мощностью 40 кВт.

Метрологические свойства установки дают возможность провести тесты лавинных диодов всех узнаваемых типов.

Заключение

  1. Новое поколение испытательного оборудования обеспечивает точность измерений, удовлетворяющую любые требования потребителей по подбору характеристик силовых полупроводниковых устройств.
  2. Высочайшая точность измерений содействует обеспечению высочайшего свойства силовых полупроводниковых устройств, которые выпускает ООО «Элемент-Преобразователь».
  3. MOSFET сейчас не имеют кандидатуры при разработке силовых блоков четкого измерительного оборудования для силовых полупроводниковых устройств.
  4. Применение активных формирователей дает возможность построения силовых частей испытательного оборудования из набора однотипных секций, что обеспечивает практически неограниченные способности по расширению диапазонов по току и напряжению.