▌01动态特性
近期,关于用于全国大学生智能车节能信标组的100W无线充电系统正在测试。使用MOS半桥作为发送线圈的功率驱动电路。由于半桥电路中MOS管的功率消耗主要发生在开关管的动态切换过程,为了进一步优化驱动方案和系统工作参数,对于MOS管的动态特性进行测试。
在之前测试工作中,所使用的MOS管包括有IRF3710、AOT254L等。在它们的数据手册中也相应给出了测量器件动态特性方案。
▲ IRF3710,AOT254L动态特性测试方式
器件的开关特性通常包括:
td_on, td_off, tr, tf, Eon, Eoff, Irr, Ls
1.双脉冲方法
在网络中,对于IGBT所采用的双脉冲测试(Double-Pulse Test)方法被广泛使用。这种方法利用巧妙的电路结构以及测试过程,可以
双脉冲测试电路结构如下图所示。其中包括有两个相同的待检测功率管。通过驱动电路(Driver)发送两个连续的脉冲驱动信号,使用示波器分别测试下面功率管的Vce、Vge、Ic。
▲ 双脉冲测量电路结构
在双脉冲测量中,第一个脉冲相对比较宽。通过下管的导通,电源电压Vbus通过电感L逐步建立起负载电流IL。
然后在截止100us左右,使得下管截止,电感上的电流IL就会通过上管的体反向二极管进行续流。 然后在给出第二个脉冲(大约15us)。下管重新导通,所引起的Vce、Ic的变化可以反映出功率管的诸多动态特性。
▲ 双脉冲测量得到波形
2.相关文献
IGBT Double Pulse TestIGBT双脉冲测试方法介绍_魏炜双脉冲试验读懂IGBT性能Double pulse testing Create waveforms and automate testing of power devicesWhy the width of two pulses is different in double pulse test for IGBT?▌02测试电路制作
下面通过快速制版来制作测试电路,测试双脉冲方法测量功率MOS管的动态特性。
1.双脉冲驱动信号电路1
(1)电路板制作
使用STM32F030单片机作为脉冲信号发生器,脉冲信号通过TPS28225放大之后输出驱动待测MOS功率管。
▲ 驱动信号原理图
通过快速制版获得测试电路板:
▲ 快速制版的电路图
▲ 焊接完毕的测试电路
加电调试:3.3V 电压:3.293V
静态工作电流:15mA
(2)单片机软件2
▲ 开发软件下载过程
▲ 工作过程
通过PB7输出频率为50Hz的方波信号,测量TPS28225的LDRIVE信号,可以测量到输出信号的相位和幅值。
▲ TPS28225的输入(蓝色)与输出(粉色)信号
(3)双脉冲时间设计
使用10mH的电感以及50毫欧的电阻作为测量电路中的负载电感L以及电流采样电阻Rc.
假设MOS管测量工作电流为Ic=1A;工作电压Uc=12V。那么双脉冲的第一阶段的时间为:
T1=IcdI/dt=IcUc/L=Ic⋅LUc=1×10×10−312=833μsT_1 = {{I_c } \over {dI/dt}} = {{I_c } \over {U_c /L}} = {{I_c \cdot L} \over {U_c }} = {{1 \times 10 \times 10^{ - 3} } \over {12}} = 833\,\,\mu sT1=dI/dtIc=Uc/LIc=UcIc⋅L=121×10×10−3=833μs
最终取T1=800us;
第二个脉冲时间T2=15us;
两个脉冲之间的间隔:100us;
▲ 用于测量电流的电感和采样电阻
使用Delay函数来产生延迟。通过测试可以看到,Delay()函数,参数n对应的延时时间为:
tdelay=0.25×nt_{delay} = 0.25 \times ntdelay=0.25×n
void Out2Pulses(void) {OFF(PULSE);Delay(3200);ON(PULSE);Delay(400);OFF(PULSE);Delay(60);ON(PULSE);}
▲ 产生双脉冲波形
双脉冲重复频率:100Hz左右。
▲ 测量输出双脉冲波形
2.待测MOS电路
(1)制作电路板
▲ 测试功率MOS管电路原理图
焊接的测试MOS三极管为IRF3710S。
▲ 快速制版与焊接测试电路板
(2)电路波形初步测试
测量MOS的Vge(蓝色)与电流采样信号(粉色):
▲ 测量的驱动信号与电流信号
采集到的Vge(蓝色)、Vde(Green),Ie电流波形(粉色):
▲ 测量的脉冲信号
▌03测量波形
1. 测试IRF3710
(1)Vds波形
▲ Vds电压波形
(2)Id波形
▲ Id波形
2.测试AOT254L
▲ AOT254L
(1)测量Vds波形
▲ 测量Vds波形
(2)测量Id波形
▲ 测量Id电流波形
奇怪的地方:
为什么电流波形上升的这么慢呢?电流所产生的振荡波形是与什么有关系呢?▲ 测量Id电流波形
3.更换电感再测量
(1)更换电感和输出脉冲波形
将原来的工字型的10mH电感更换成221电感,如下图所示:
▲ 更换电感221
同时将电流采样电阻从原来的0.05Ω更换成0.22Ω。
(2)重新测量波形
▲ Vds电压波形
▲ Id波形
对比一下,在更换了电感之后,原来的电流比较大的延迟现象消失了。
▌结论
制作了双脉冲测量MOS动态特性的电路,并对两种MOS管进行了测试。但测试的结果存在很多奇怪的地方:
原本两个MOS的动态特性是相差很多的;但是从测量的结果来看,它们的动态特性差不多;
在两个MOS电流上升部分呈现非常奇怪的之后现象。这个如何来解释呢?
也许在初步的试验过程中,还存在着测量、电路设计等诸多的问题。现在还无法从测量波形中得到与芯片手册比较相符合的一些结论。
■ 相关文献链接:
100W无线电耦合功率测试实验基于TPS28225功率MOS半桥电路测试IRF3710AOT254LIGBT Double Pulse TestIGBT双脉冲测试方法介绍_魏炜双脉冲试验读懂IGBT性能Double pulse testing Create waveforms and automate testing of power devicesWhy the width of two pulses is different in double pulse test for IGBT?
双脉冲驱动信号AD工程文件:AD\Test\\DoublePulseIGBT\DoublePulseIGBT.PcbDoc * ↩︎
STM32F030单片机软件😄:\zhuoqing\DesignCenter\PythonCmd\cdpf.PY ↩︎
如果觉得《测量功率MOS IGBT动态特性的双脉冲方法》对你有帮助,请点赞、收藏,并留下你的观点哦!