设计下一代浪涌电流测试仪

出处：维库电子市场网发布于：2024-02-29 17:39:07 | 183 次阅读

　　功率半导体器件反映其过载能力的最重要参数是浪涌电流——持续10ms的半正弦形状的最大允许电流幅值。提高半导体的功率容量以及设计整流器元件直径为 100 mm 或以上的设备都需要能够形成高达 100 kA 电流脉冲的浪涌电流测试系统。
　　为了解决这个问题，必须考虑许多要求。首先，在所谓的直流丝化[1]的预击穿状态期间，测试样品上的电压降急剧增加，对于高压半导体来说可以达到60V。其次，测试仪必须保证电流幅值设定的高精度，因为形成100kA量级的电流脉冲需要与设定值的绝对偏差在2-3kA以内。第三，考虑到电流脉冲期间产生的巨大动态力，必须确保结构刚性。
　　浪涌电流测试仪设计的主要方法是使用降压变压器 [2,3] 或通过对振荡电路中的存储电容器进行放电来形成浪涌电流脉冲 [3]。使用降压变压器形成高幅度电流脉冲有许多缺点，包括不对称电流负载对电源的影响不可接受、设置精度低且无法平滑电流幅度调节、电源电压波动的影响在设定的振幅值上，重量和尺寸过大。如今，使用振荡电路形成浪涌电流脉冲更为常见。
　　然而，获得接近适当的半正弦波的脉冲形状需要振荡电路的高质量因数，这在高损耗的情况下是一个问题。由于导体系统中的损耗和测试样品上的显着电压降导致的振荡电路中的损耗导致以电流脉冲的形式出现非周期性分量，这在测试条件下是不可接受的。此外，产生幅度为数十千安的电流脉冲需要电容高达数千微法的存储电容器。最后，振荡电路中产生的电流脉冲的稳定性取决于电容器特性的稳定性。
　　测试仪中需要具有稳定参数的大容量存储电容器以及更大的母线横截面以减少损耗，这导致测试仪的重量和尺寸显着增加。在[4]中，有人建议制造基于有源整形器（具有强大 MOSFET 的电流源）的测试设备。使用晶体管作为电流源的原理在于其在传输曲线的线性部分上工作。典型的 MOSFET 曲线如图 1 所示。
　　MOSFET 传输曲线

　　图 1：MOSFET 传输曲线

　　结果表明，晶体管栅源电压在5-6V范围内变化会导致漏极电流变化约40A。如上所述，在预击穿状态期间，半导体上的电压可以增加至 60V。电流源工作的条件之一是负载电压不应超过电流源的电源电压。也就是说，电流调节器必须有一定的电压裕度。电流源的供电电压为100V是最佳的。选择该值的依据是，它是足以使电流源稳定工作的最小值，并且业界提供工作电压为100V的电解电容器用作储能器件。位于传递曲线的线性区域，晶体管上会发射一定量的功率。该功率的大小由晶体管的安全操作区域 (SOA) 决定。IRFPS3815 晶体管的 SOA 图如图 2 所示。

　　MOSFET 的 SOA

　　图 2：MOSFET 的 SOA
　　该图显示，在漏源电压为 100V 和 10ms 长的矩形电流脉冲时，安全电流幅度为 10A。对于半正弦形状，考虑到形状系数，允许的幅度可以增加到 16A。此外，在电流脉冲形成过程中存储电容器的部分放电将降低晶体管的漏极-源极电压，并将晶体管的工作模式进一步转移到安全区域。考虑到这一裕度，电流值选择为 13A。
　　为了计算晶体管工作的热模式，我们假设形成 10 ms 的电流脉冲会导致电容器两端的电压从 100 V 下降到 60 V。同时，晶体管上漏源电压的平均值晶体管的电压约为80V。由于电流呈正弦波形状，其面积比矩形的面积小0.63倍，因此电流的有效值等于8.2A。那么晶体管上的脉冲功率将为：P i = V D S × I D = 80 V × 8.2 A = 656 W

　　为了使晶体管结构在电流脉冲和存储电容器充电之间冷却，有必要在电流脉冲之间提供持续时间至少为 60 秒的暂停。考虑到这一点，晶体管的平均功率将等于：　P a = P i × t T= 656宽× 10米·秒60秒= 0.11瓦　

　要确定在最高可能环境温度 35 下晶体管外壳的温度：

T J = P i × Z th + T C =656W× 0.15 ° C / W+ 35 ° C= 133 ° C _　　那么晶体管芯片的最高温度将等于：
　　芯片的最高工作温度为175℃，因此最大负载模式下的温度裕度超过40℃。在确定晶体管的最大允许电流幅度时，在实践中得到了证实，为20A。
　　需要具有低内阻的电压源来形成电流脉冲。如上所述，为此使用了电解电容器。为了计算所需的存储电容器容量，必须考虑到电压不应低于60V。在 100V 的初始电压水平下，电压裕度将为 40V。电容器的容量为：
　C = I × d t d U= 13安× 10毫秒40伏_= 3250μF _ _
　　从市场上的标准产品中选择容量为 3300 μF/100V 的电容器。　　除了调节精度高之外，使用电流源的优点是几乎可以无限地与相同的源并联以达到所需的电流幅度值，如图3所示。浪涌电流的功能图基于电流源设计的测试仪如图4所示。

　　电流源并联

　　图 3：电流源并联。
　　该功能图示出了连接到存储电容器2的电压源1。存储电容器2的正极端子并联连接到N个MOSFET 3的漏极。电阻器4安装在每个MOSFET的源极处。电阻4的公共点连接到被测器件5的阳极，被测器件5的阴极通过分流器（电流传感器）6连接到存储电容器2的负极端子。分流器的测量引线（电流传感器）6连接到测量单元7。MOSFET 3的互连栅极通向放大器7的输出。放大器8的反相输入连接到第一MOSFET 3的源极，而非放大器8的反相输入连接至参考信号整形器9的输出。

　　测试仪功能图

　　图4：测试仪功能图
　　第一开关10安装在放大器8的反相输入端与其输出端之间，而第二开关11和限压器12连接在MOSFET 3的栅极与电阻器4的公共点之间。第一开关10和第二开关11连接到同步电路13的相应输出。其第三输入连接到参考信号9的驱动器的输入，第四输入连接到控制发生器14的输入。控制发生器14的输出连接到被测半导体器件5的控制端子。
　　本系列的下一篇文章将解释浪涌电流测试仪的内部工作原理。

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