Установка для тестирования SiC MOSFET методом двойного импульса

В статье описывается испытательная установка, предназначенная для тестирования характеристик SiC MOSFET методом двойного импульса. Установка представляет собой классический «двухимпульсный» тестер, содержащий все необходимые компоненты, размещенные на одной печатной плате, и обеспечивающий повторяемость измерений. Фотография приспособления показана на рис. 1.
 
Рис. 1. «Двухимпульсный» тестер SiC MOSFETПринципиальная схема тестера приведена на рис. 2. Приспособление содержит гнездо для установки MOSFET транзистора (J6), драйвер затвора (U1), конденсаторную батарею (C1–C9), антипараллельный диод (D1) и интегрированный двухступенчатый трансформатор тока (T1). Сигналы VDS и VGS можно контролировать через разъемы BNC (J7 & J10). Их назначение состоит не в использовании коаксиального кабеля, а в том, чтобы применить кабель в качестве пробника адаптера и избежать необходимости в клемме заземления. Это исключает паразитную индуктивность вывода заземления и снижает искажения при измерении напряжения. Ток стока измеряется с помощью двухступенчатого трансформатора тока, состоящего из небольшого ферритового трансформатора с коэффициентом трансформации 1:10 в качестве первой ступени и токового сенсора Pearson Electronics model 2878 в качестве второй ступени. Результирующий масштабный коэффициент — 1 В = 100 А.
 
Рис. 2. Принципиальная схема «двухимпульсного» тестера SiC MOSFET

Рис. 3. Тестер SiC MOSFET, вид сверху

Девять пленочных полипропиленовых конденсаторов (С1–С9) используются для обеспечения низкой индуктивности источника питания тестера. VCC, GND и –VEE — входные сигналы драйвера затвора, VCC задает напряжение включения затвора, –VEE устанавливает напряжение выключения. Максимальный перепад сигнала между VCC и –VEE составляет 30 В. Импульс управления подается на входной разъем генератора BNC. Для включения затвора рекомендуется использовать сигнал амплитудой +10…+12 В. Этот вход подключен к сопротивлению 50 Ом для согласования с 50-Омным коаксиальным кабелем. Входные резисторы (R3 и R4) имеют общую номинальную мощность не более 0,5 Вт, поэтому коэффициент заполнения входных импульсов должен быть соответствующим образом ограничен (~10%), чтобы избежать их перегрева. Между выводами LOAD LOW и LOAD HIGH подключается индуктор, рекомендуемое значение индуктивности около 850 мкГн. Он может быть реализован как дроссель с воздушным сердечником с однослойной обмоткой из 107 витков магнитного провода AWG 18
на 4” трубке PVC (OD = 4,5”).
 
Фотография верхней части изделия показана на рис. 3. Существует возможность установки BNC коннекторов на верхней или нижней части платы. В этом случае они монтируются на задней стороне, что дает возможность разместить термостатирующую головку над тестируемым устройством1. Все силовые соединения выполняются с помощью штекеров типа «банан», которые могут вставляться с верхней или нижней стороны платы.
 
Рис. 4. Тестер SiC MOSFET, вид снизу
Нижняя сторона тестера показана на рис. 4. Большинство компонентов платы монтируется на ее задней части. Диод D1 устанавливается в клеммную колодку, поэтому его можно снять и заменить резистором для настройки временных смещений пробника. Показанная на фото перемычка на схеме имеет обозначение Jumper, она используется для центрального вывода разъема VDS BNC. Обратите внимание, что плата драйвера затвора установлена нижней стороной вверх. Двухступенчатый трансформатор тока (Т1) установлен на нижней стороне. Выход сенсора тока Pearson подключен к адаптеру SMA-SMA, а затем к адаптеру SMA-BNC, размещенному на верхней стороне платы.
Рис. 5. Подробный вид первой ступени T1
Подробный вид первой ступени трансформатора тока показан на рис. 5. Трансформатор состоит из 10 витков медного, изолированного тефлоном провода AWG 26, намотанного вокруг ферритового тороидального сердечника Ferroxcube TC9.5/4.8/3.2-3E27. Центральный проводник — изолированный шинный провод AWG 22, предназначенный для испытаний при напряжении 1,5 кВ. На рис. 6 показана плата драйвера затвора. Это модифицированная версия изолированного драйвера, описанного в руководстве по применению CPWR-AN10 «SiC Isolated Gate Driver». Модификация состоит в исключении и байпасировании DC/DC-преобразователей для того, чтобы обеспечить прямое подключение к источникам питания драйвера затвора. Обратите внимание на то, что коннекторы смонтированы на верхней стороне платы, что позволяет монтировать ее нижней стороной вверх.
 
 
Для проведения точных измерений очень важно устранить временные погрешности между датчиками напряжения и тока, чтобы убедиться в том, что все задержки одинаковы. Такая корректировка датчиков напряжения легко выполняется подключением обоих сенсоров к выходу генератора импульсов и настройкой с помощью осциллографа таким образом, чтобы оба импульса были синхронизированы по времени. Устранение временных погрешностей датчиков VDS и ID достигается путем снятия дросселя и замены диода D1 на низкоиндуктивный резистор 100 Ом. Рекомендуется использовать сопротивление Caddock MP930 100-1% или его эквивалент. Во время настройки необходимо позаботиться о том, чтобы напря жение VDD было выбрано на уровне, не превышающем допустимое импульсное напряжение для резистора. Максимальное значение для данного резистора составляет 250 В.

Рис. 6. Изолированная плата драйвера затвора со снятыми и зашунтированными DC/DC

Примерная форма «двухимпульсного» сигнала управления затвором показана на рис. 7. Соответствующие эпюры тока и напряжения VDS и ID MOSFET приведены на рис. 8. Последовательность состоит из двух импульсов с частотой следования около 1–2 Гц. Первый (~22 мкс) используется для нарастания тока в индукторе, его ширина регулируется для получения требуемого испытательного тока. Когда импульс заканчивается, ID коммутируется от MOSFET-транзистора к оппозитному диоду. Этот переход применяется для измерения характеристик отключения MOSFET. Между первым и вторым импульсом существует задержка около 3 мкс, ее длительность достаточно большая для того, чтобы напряжение и ток достигли установившегося значения. Ее необходимо увеличить, если приспособление используется для оценки Si IGBT, чтобы обеспечить достаточное время для окончания «хвостового тока». Второй узкий импульс (~2 мкс) генерируется через несколько микросекунд. Во время данного перехода ток коммутируется из диода обратно в MOSFET, в этой точке измеряются характе-ристики включения транзистора.
 
Типовые формы сигналов VDS и ID при включении показаны на рис. 9. Обратите внимание на очень небольшой всплеск тока во время включения. Это объясняется малым количеством накопленного заряда в диоде SiC JBS по сравнению с быстрым кремниевым PiN-диодом. Примеры сигналов VDS и ID при вы-ключении показаны на рис. 10. На эпюрах VDS и ID виден звон, чего обычно не наблюдается в случае кремниевых IGBT, это связано с отсутствием у SiC MOSFET токового хвоста.
 
Рис. 7. Пример двойного импульса управления затворомРис. 8. Типовые формы сигналов
Рис. 9. Процесс включенияРис. 10. Процесс выключения
Причиной звона является выходная емкость SiC MOSFET, резонирующая с паразитной инуктивностью в цепи коммутации силового тока. Токовый хвост в кремниевом IGBT способствует демпфированию этой паразитной осцилляции. Обратите внимание, что разъем, используемый для измерения VGS, предназначен только для удобства настройки уровней импульсов управления затвора. Фактическая форма сигнала VGS, наблюдаемаявэтой конкретной точке, кроме непосредственно напряжения VGS будет включать падение напряжения на индуктивностях выводов затвора и индуктивностях источника сигнала. Поэтому при измерении сильноточных импульсов сигнал, наблюдаемый в данной контрольной точке, будет иметь дополнительные всплески / провалы, вызванные падениями напряжения на упомянутых паразитных индуктивностях.
 
Перечень элементов «двухимпульсного» тестера приведен таблице.
Гербер-файл на плату можно скачать по ссылке: http://www.cree.com/products/power/doublepulsefixture.zip
 
Таблица. Перечень элементов «двухимпульсного» тестера
Количество Условное обозначение Тип/номинал Описание Производитель Каталожный номер
1 9 C1-C9 4.7 uf 1500VDC CAP FILM 4.7UF 1500V Cornell Dubilier UNL15W4P7K-F
2 1 D1 C2D10120A 10A 1200V Cree Schottky Diode Cree C2D10120A
3 3 J7, J9, J10 BNC BNC Fem Jack PC Mount Straight Amphenol Connex 112538
4 7 J1-J3, J5, J6, Load Low, Load High Banana socket Banana socket Emerson 108-0740-001
5 1 J8 CON6 Kelvin Socket Loranger 2903 032
6 1 J4 ID CURRENT SMA Jack-BNC Bulkhead Jack Amphenol Connex 242181
7 1 J12 JUMPER Jumper wire    
8 2 R1, R2 470K 2W Res Ceramic Comp 470K Ohm 2W Ohmite OY474KE
9 2 R3, R4 100 100 Ohm 1206 SMD Resistor 1/4W Panasonic - ECG ERJ-8GEYJ101V
10 1 U1 Isolated Gate Driver Brd Isolated gate driver board    
11 1 T1 Current Trans First Stage Ferrite Toroid Ferroxcube TC9.5/4.8/3.2-3E27
12 1   Current Trans First Stage Current Monitor Pearson Electronics Model 2878
13 1   SMA Adapter Conn SMA Adapter Plug- Plug Straight Amphenol Connex 132168
14 1   N/A Wire, solid AWG 26, Teflon insulation Alpha 2853/1 WH005
15 1 U1(6pin socket header)   Conn Header Female 3Pos .1” Tin Sullins PPTC061LFBN-RC
16 2 U1(3pin socket header)       PPTC031LFBN-RC
17 1 D1 (Socket) 3TERMINAL_BLOCK (D1) Conn Term Block 3Pos 5mm PCB Phoenix Contact 1711039

 

Перевод:
Евгений Карташов
Валерия Смирнова, cree@macrogroup.ru
 
Журнал Силовая электроника № 5, 2020 год.