電路設計公司測試半橋功率轉換器的直通

2020-12-02

用于功率轉換器和逆變器的半橋配置中的硬切換是用于有效功率轉換的常用技術(shù)，特別是在較高功率水平下。隨著(zhù)碳化硅（SiC）技術(shù)使開(kāi)關(guān)速度提高，電源兩端短路導致直通電流的可能性增加。從開(kāi)關(guān)節點(diǎn)到柵極的寄生耦合電容的影響變得越來(lái)越關(guān)鍵。

耦合電容會(huì )導致高端柵極毛刺，從而導致不希望的導通條件，半橋的兩個(gè)晶體管同時(shí)導通，從而導致短路，從而導致大電流流過(guò)。這種直通電流條件可能會(huì )損壞晶體管。提高大功率設計的魯棒性是關(guān)鍵的設計準則。重要的是要確保半橋的高側門(mén)上沒(méi)有嚴重的毛刺，并且高開(kāi)關(guān)速度和直通條件之間的裕度會(huì )不斷縮小。成功設計中要提高精度，就需要使用用于評估關(guān)鍵參數值的測量?jì)x器來(lái)提高精度。

為了驗證直通事件的風(fēng)險，必須同時(shí)測量高端和低端開(kāi)關(guān)上的柵極至源極電壓（在時(shí)域中，使用示波器）。為了防止相應的晶體管意外導通，高端柵極信號上的毛刺可能不會(huì )超過(guò)預定義的電壓電平。該任務(wù)需要針對高端和低端的一系列觸發(fā)事件以及非常高的觸發(fā)精度進(jìn)行復雜的觸發(fā)設置，并精確定義觸發(fā)閾值。配置觸發(fā)器設置后，被測設備將在不同的負載和環(huán)境條件下運行，以在整個(gè)指定的操作范圍內確定關(guān)鍵條件，以調查擊穿的風(fēng)險。

數字觸發(fā)器大大提高了示波器測量的準確性。與模擬觸發(fā)器相比，沒(méi)有單獨的觸發(fā)器路徑。數字觸發(fā)器實(shí)時(shí)應用于完全相同的數字數據，并具有與顯示數據相同的分辨率和帶寬；如果示波器可以檢測到信號，則也可以觸發(fā)該信號。

數字觸發(fā)器可識別關(guān)鍵點(diǎn)以驗證擊穿風(fēng)險的優(yōu)勢包括

在設置高端和低端觸發(fā)條件的完整序列時(shí)具有高度靈活性。

觸發(fā)滯后的單獨設置可優(yōu)化相應信號的觸發(fā)靈敏度。

在全帶寬下具有較高的觸發(fā)靈敏度，可以捕獲較小的有害干擾。

抖動(dòng)值非常低，可以穩定觸發(fā)。

當以最大分辨率和帶寬采集數據時(shí)，實(shí)時(shí)觸發(fā)采集的數據；不會(huì )錯過(guò)任何重大事件。

R＆S RTE和R＆S RTO等現代示波器具有先進(jìn)的，易于使用的數字觸發(fā)器以及滿(mǎn)足電力電子測試要求的理想規格。

作為使用數字觸發(fā)器的示例，基于對稱(chēng)半橋拓撲的500 W DC / DC轉換器用于演示如何識別可能導致?lián)舸┑年P(guān)鍵門(mén)時(shí)序事件。由于實(shí)時(shí)操作，在將高端柵極信號的觸發(fā)值調整為最大可接受值的同時(shí)，任何違反該值的開(kāi)關(guān)事件都可以輕松識別，從而可以承受擊穿的危險。該轉換器在36 V至72 V的輸入電壓下工作，并產(chǎn)生3.3 V的輸出電壓。開(kāi)關(guān)頻率為400 kHz。根據數據表，MOSFET柵極的最低可能閾值電壓為2V。

將示波器連接到DUT之后，使用示波器應用程序對話(huà)框配置所有相關(guān)的觸發(fā)選項：

首先，選擇一個(gè)觸發(fā)序列，以便可以在一個(gè)序列中定義三個(gè)事件（A，B，R）。將第一個(gè)觸發(fā)事件（A）定義為負沿觸發(fā)，以捕捉低側開(kāi)關(guān)處的柵極至源極電壓的下降沿（圖1）。為此條件定義合適的觸發(fā)電平。在半橋連續運行期間，此觸發(fā)事件將捕獲低端開(kāi)關(guān)設備上的每個(gè)關(guān)閉事件。

 

圖1：觸發(fā)器設置：低端開(kāi)關(guān)處的觸發(fā)器A的負斜率邊緣事件。

其次，定義該序列的下一個(gè)觸發(fā)事件（B），以檢測高端開(kāi)關(guān)的柵極至源極端子上的毛刺（圖2）。僅在發(fā)生第一個(gè)觸發(fā)事件（A）后，此觸發(fā)才有效。根據應用的最壞情況定義毛刺電平，極性和寬度值。

第三，定義復位條件（R），以在未發(fā)生故障事件的情況下在特定的超時(shí)后復位第一個(gè)預觸發(fā)事件。低側開(kāi)關(guān)的最大接通時(shí)間在觸發(fā)設置中定義超時(shí)值。

 

圖2：觸發(fā)器設置：高邊開(kāi)關(guān)處的觸發(fā)器B的毛刺事件。

為了確定安全裕度，請降低從2 V開(kāi)始的高端柵極毛刺觸發(fā)的觸發(fā)電平，直到發(fā)生觸發(fā)事件為止。在1.88 V（綠色框）下，將生成觸發(fā)事件，如測量結果所示（圖3）。在這種情況下，這意味著(zhù)120 mV的安全裕度。設計人員必須確定這是否足以滿(mǎn)足轉換器或逆變器系統的需求。

 

圖3：半橋配置的測量結果 

除了研究觸發(fā)器之外，還確定了有關(guān)電路的其他信息，例如，變壓器的漏感與開(kāi)關(guān)的輸出電容之間的諧振頻率（在藍色框中）。

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