設(shè)計下一代浪涌電流測試儀
出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2024-02-29 17:39:07 | 363 次閱讀
功率半導(dǎo)體器件反映其過載能力的最重要參數(shù)是浪涌電流——持續(xù)10ms的半正弦形狀的最大允許電流幅值。提高半導(dǎo)體的功率容量以及設(shè)計整流器元件直徑為 100 mm 或以上的設(shè)備都需要能夠形成高達 100 kA 電流脈沖的浪涌電流測試系統(tǒng)。
為了解決這個問題，必須考慮許多要求。首先，在所謂的直流絲化[1]的預(yù)擊穿狀態(tài)期間，測試樣品上的電壓降急劇增加，對于高壓半導(dǎo)體來說可以達到60V。其次，測試儀必須保證電流幅值設(shè)定的高精度，因為形成100kA量級的電流脈沖需要與設(shè)定值的絕對偏差在2-3kA以內(nèi)。第三，考慮到電流脈沖期間產(chǎn)生的巨大動態(tài)力，必須確保結(jié)構(gòu)剛性。
浪涌電流測試儀設(shè)計的主要方法是使用降壓變壓器 [2,3] 或通過對振蕩電路中的存儲電容器進行放電來形成浪涌電流脈沖 [3]。使用降壓變壓器形成高幅度電流脈沖有許多缺點，包括不對稱電流負載對電源的影響不可接受、設(shè)置精度低且無法平滑電流幅度調(diào)節(jié)、電源電壓波動的影響在設(shè)定的振幅值上，重量和尺寸過大。如今，使用振蕩電路形成浪涌電流脈沖更為常見。
然而，獲得接近適當(dāng)?shù)陌胝也ǖ拿}沖形狀需要振蕩電路的高質(zhì)量因數(shù)，這在高損耗的情況下是一個問題。由于導(dǎo)體系統(tǒng)中的損耗和測試樣品上的顯著電壓降導(dǎo)致的振蕩電路中的損耗導(dǎo)致以電流脈沖的形式出現(xiàn)非周期性分量，這在測試條件下是不可接受的。此外，產(chǎn)生幅度為數(shù)十千安的電流脈沖需要電容高達數(shù)千微法的存儲電容器。最后，振蕩電路中產(chǎn)生的電流脈沖的穩(wěn)定性取決于電容器特性的穩(wěn)定性。
測試儀中需要具有穩(wěn)定參數(shù)的大容量存儲電容器以及更大的母線橫截面以減少損耗，這導(dǎo)致測試儀的重量和尺寸顯著增加。在[4]中，有人建議制造基于有源整形器（具有強大 MOSFET 的電流源）的測試設(shè)備。使用晶體管作為電流源的原理在于其在傳輸曲線的線性部分上工作。典型的 MOSFET 曲線如圖 1 所示。
MOSFET 傳輸曲線
該圖顯示，在漏源電壓為 100V 和 10ms 長的矩形電流脈沖時，安全電流幅度為 10A。對于半正弦形狀，考慮到形狀系數(shù)，允許的幅度可以增加到 16A。此外，在電流脈沖形成過程中存儲電容器的部分放電將降低晶體管的漏極-源極電壓，并將晶體管的工作模式進一步轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域?？紤]到這一裕度，電流值選擇為 13A。
為了計算晶體管工作的熱模式，我們假設(shè)形成 10 ms 的電流脈沖會導(dǎo)致電容器兩端的電壓從 100 V 下降到 60 V。同時，晶體管上漏源電壓的平均值晶體管的電壓約為80V。由于電流呈正弦波形狀，其面積比矩形的面積小0.63倍，因此電流的有效值等于8.2A。那么晶體管上的脈沖功率將為：P i = V D S × I D = 80 V × 8.2 A = 656 W
芯片的最高工作溫度為175℃，因此最大負載模式下的溫度裕度超過40℃。在確定晶體管的最大允許電流幅度時，在實踐中得到了證實，為20A。
需要具有低內(nèi)阻的電壓源來形成電流脈沖。如上所述，為此使用了電解電容器。為了計算所需的存儲電容器容量，必須考慮到電壓不應(yīng)低于60V。在 100V 的初始電壓水平下，電壓裕度將為 40V。電容器的容量為：
C = I × d t d U= 13安× 10毫秒40伏_= 3250μF _ _
從市場上的標(biāo)準產(chǎn)品中選擇容量為 3300 μF/100V 的電容器。 除了調(diào)節(jié)精度高之外，使用電流源的優(yōu)點是幾乎可以無限地與相同的源并聯(lián)以達到所需的電流幅度值，如圖3所示。 浪涌電流的功能圖基于電流源設(shè)計的測試儀如圖4所示。
該功能圖示出了連接到存儲電容器2的電壓源1。存儲電容器2的正極端子并聯(lián)連接到N個MOSFET 3的漏極。電阻器4安裝在每個MOSFET的源極處。電阻4的公共點連接到被測器件5的陽極，被測器件5的陰極通過分流器（電流傳感器）6連接到存儲電容器2的負極端子。分流器的測量引線（電流傳感器）6連接到測量單元7。MOSFET 3的互連柵極通向放大器7的輸出。放大器8的反相輸入連接到第一MOSFET 3的源極，而非放大器8的反相輸入連接至參考信號整形器9的輸出。
第一開關(guān)10安裝在放大器8的反相輸入端與其輸出端之間，而第二開關(guān)11和限壓器12連接在MOSFET 3的柵極與電阻器4的公共點之間。第一開關(guān)10和第二開關(guān)11連接到同步電路13的相應(yīng)輸出。其第三輸入連接到參考信號9的驅(qū)動器的輸入，第四輸入連接到控制發(fā)生器14的輸入?？刂瓢l(fā)生器14的輸出連接到被測半導(dǎo)體器件5的控制端子。
本系列的下一篇文章將解釋浪涌電流測試儀的內(nèi)部工作原理。
為了解決這個問題，必須考慮許多要求。首先，在所謂的直流絲化[1]的預(yù)擊穿狀態(tài)期間，測試樣品上的電壓降急劇增加，對于高壓半導(dǎo)體來說可以達到60V。其次，測試儀必須保證電流幅值設(shè)定的高精度，因為形成100kA量級的電流脈沖需要與設(shè)定值的絕對偏差在2-3kA以內(nèi)。第三，考慮到電流脈沖期間產(chǎn)生的巨大動態(tài)力，必須確保結(jié)構(gòu)剛性。
浪涌電流測試儀設(shè)計的主要方法是使用降壓變壓器 [2,3] 或通過對振蕩電路中的存儲電容器進行放電來形成浪涌電流脈沖 [3]。使用降壓變壓器形成高幅度電流脈沖有許多缺點，包括不對稱電流負載對電源的影響不可接受、設(shè)置精度低且無法平滑電流幅度調(diào)節(jié)、電源電壓波動的影響在設(shè)定的振幅值上，重量和尺寸過大。如今，使用振蕩電路形成浪涌電流脈沖更為常見。
然而，獲得接近適當(dāng)?shù)陌胝也ǖ拿}沖形狀需要振蕩電路的高質(zhì)量因數(shù)，這在高損耗的情況下是一個問題。由于導(dǎo)體系統(tǒng)中的損耗和測試樣品上的顯著電壓降導(dǎo)致的振蕩電路中的損耗導(dǎo)致以電流脈沖的形式出現(xiàn)非周期性分量，這在測試條件下是不可接受的。此外，產(chǎn)生幅度為數(shù)十千安的電流脈沖需要電容高達數(shù)千微法的存儲電容器。最后，振蕩電路中產(chǎn)生的電流脈沖的穩(wěn)定性取決于電容器特性的穩(wěn)定性。
測試儀中需要具有穩(wěn)定參數(shù)的大容量存儲電容器以及更大的母線橫截面以減少損耗，這導(dǎo)致測試儀的重量和尺寸顯著增加。在[4]中，有人建議制造基于有源整形器（具有強大 MOSFET 的電流源）的測試設(shè)備。使用晶體管作為電流源的原理在于其在傳輸曲線的線性部分上工作。典型的 MOSFET 曲線如圖 1 所示。
MOSFET 傳輸曲線
圖 1：MOSFET 傳輸曲線
MOSFET 的 SOA
該圖顯示，在漏源電壓為 100V 和 10ms 長的矩形電流脈沖時，安全電流幅度為 10A。對于半正弦形狀，考慮到形狀系數(shù)，允許的幅度可以增加到 16A。此外，在電流脈沖形成過程中存儲電容器的部分放電將降低晶體管的漏極-源極電壓，并將晶體管的工作模式進一步轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域?？紤]到這一裕度，電流值選擇為 13A。
為了計算晶體管工作的熱模式，我們假設(shè)形成 10 ms 的電流脈沖會導(dǎo)致電容器兩端的電壓從 100 V 下降到 60 V。同時，晶體管上漏源電壓的平均值晶體管的電壓約為80V。由于電流呈正弦波形狀，其面積比矩形的面積小0.63倍，因此電流的有效值等于8.2A。那么晶體管上的脈沖功率將為：P i = V D S × I D = 80 V × 8.2 A = 656 W
為了使晶體管結(jié)構(gòu)在電流脈沖和存儲電容器充電之間冷卻，有必要在電流脈沖之間提供持續(xù)時間至少為 60 秒的暫停?？紤]到這一點，晶體管的平均功率將等于： P a = P i × t T= 656寬× 10米·秒60秒= 0.11瓦
要確定在最高可能環(huán)境溫度 35 下晶體管外殼的溫度：
T J = P i × Z th + T C =656W× 0.15 ° C / W+ 35 ° C= 133 ° C _ 那么晶體管芯片的最高溫度將等于：芯片的最高工作溫度為175℃，因此最大負載模式下的溫度裕度超過40℃。在確定晶體管的最大允許電流幅度時，在實踐中得到了證實，為20A。
需要具有低內(nèi)阻的電壓源來形成電流脈沖。如上所述，為此使用了電解電容器。為了計算所需的存儲電容器容量，必須考慮到電壓不應(yīng)低于60V。在 100V 的初始電壓水平下，電壓裕度將為 40V。電容器的容量為：
C = I × d t d U= 13安× 10毫秒40伏_= 3250μF _ _
從市場上的標(biāo)準產(chǎn)品中選擇容量為 3300 μF/100V 的電容器。 除了調(diào)節(jié)精度高之外，使用電流源的優(yōu)點是幾乎可以無限地與相同的源并聯(lián)以達到所需的電流幅度值，如圖3所示。 浪涌電流的功能圖基于電流源設(shè)計的測試儀如圖4所示。
電流源并聯(lián)
該功能圖示出了連接到存儲電容器2的電壓源1。存儲電容器2的正極端子并聯(lián)連接到N個MOSFET 3的漏極。電阻器4安裝在每個MOSFET的源極處。電阻4的公共點連接到被測器件5的陽極，被測器件5的陰極通過分流器（電流傳感器）6連接到存儲電容器2的負極端子。分流器的測量引線（電流傳感器）6連接到測量單元7。MOSFET 3的互連柵極通向放大器7的輸出。放大器8的反相輸入連接到第一MOSFET 3的源極，而非放大器8的反相輸入連接至參考信號整形器9的輸出。
測試儀功能圖
第一開關(guān)10安裝在放大器8的反相輸入端與其輸出端之間，而第二開關(guān)11和限壓器12連接在MOSFET 3的柵極與電阻器4的公共點之間。第一開關(guān)10和第二開關(guān)11連接到同步電路13的相應(yīng)輸出。其第三輸入連接到參考信號9的驅(qū)動器的輸入，第四輸入連接到控制發(fā)生器14的輸入?？刂瓢l(fā)生器14的輸出連接到被測半導(dǎo)體器件5的控制端子。
本系列的下一篇文章將解釋浪涌電流測試儀的內(nèi)部工作原理。
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