يشتمل اختبار أجهزة كربيد السيليكون (SiC) عادةً على لوحات وإعدادات مختلفة لتبديل قياسات الخسارة مقابل اختبار الطاقة الكاملة. ضمن كل من هذه القياسات ، يجب إجراء دراسة متأنية حول ربط محركات البوابة ، وأجهزة التحكم في PWM ، وتقليل الطاقة ومحاثة حلقة البوابة وأيضًا إنشاء واجهات اختبار لا تؤثر بشكل كبير على القياس نفسه. في هذه المقالة سوف نعرض منصة اختبار جديدة تم إنشاؤها بواسطة Wolfspeed تسمى SpeedVal Kit ™. تقدم مجموعة اختبار SiC هذه نهجًا شاملاً لاختبار الجهاز وتطبيق المنتج باستخدام منصة معيارية.
مجموعة أدوات اختبار SiC المعيارية: SpeedVal Kit ™
كما هو مبين في الشكل 1 ، تتكون هذه المجموعة من اللوحة الأم ، وبطاقات سائق البوابة من بائعين مختلفين اشتركت معهم Wolfspeed ، وبطاقات جهاز الطاقة التي تحمل SiC MOSFET ليتم اختبارها ، ولوحات الملحقات التي تسمح باختبار الطاقة الكاملة ، وبطاقات التحكم التي يمكن أن توفر إشارات PWM وواجهة لتكون منصة لتطوير البرامج الثابتة.
دعونا نناقش كل من هذه اللوحات بمزيد من التفصيل.
اللوحة الأم
تم تكوين هذه اللوحة بشكل أساسي في تكوين نصف جسر. كما هو موضح في الشكل 2 ، فإنه يحتوي على فتحات واجهة لبطاقة سائق البوابة ، وبطاقة ابنة الطاقة وبطاقة التحكم الاختيارية. وهي تشتمل على مروحة تبريد وفيلم Kemet ومكثفات ناقل سيراميكي DC ، ووصلات طاقة وإشارة خارجية ، بالإضافة إلى استشعار التيار والجهد.
بطاقات سائق البوابة
تدعم SpeedVal Kit ™ حاليًا ثلاثة برامج تشغيل بوابة من شركات مختلفة تشارك Wolfspeed معها. هذه موضحة في الشكل 3. تتم إضافة دعم برامج تشغيل البوابة الإضافية. تدعم البطاقة أيضًا محول DC-DC معزولًا لعزل السائق.
بطاقات Power Daughter
هذا يقبل اختبار SiC MOSFETs ، إما في عبوات ثقب أو SMT. تم تكوين لوحة اختبار SiC لتشغيل نصف الجسر وتتضمن غرفة التبريد لاختبار الطاقة العالية. يتم وضع وصلات استشعار الجهد والتيار ، والتي ستتم مناقشتها لاحقًا ، لتبديل قياسات الخسارة. يمكن إضافة مقاومات البوابة (Rg) للتحكم في معدل التدفق. يصور الشكل 4 مخططًا مبسطًا لهذه اللوحة.
مرشح Buck-Boost LC ومحث قلب الهواء
تتيح هذه اللوحة الاختيارية ، الموضحة في الشكل 6 ، إجراء الاختبار وفقًا لباقة التطبيق أو زيادة متطلبات المحول عند مستوى الطاقة المحدد. تتوفر مستويات طاقة متعددة للاختبار على نطاق تشغيل واسع. يحتوي محث قلب الهواء المصمم خصيصًا على 6 خيارات للمحاثة وهو مصمم لتقليل السعة الطفيلية من أجل اختبار دقيق للنبض المزدوج (DPT).
بطاقة التحكم
توفر بطاقة التحكم الاختيارية إشارات PWM لبرنامج تشغيل البوابة ولديها واجهة مستخدم رسومية قائمة على الكمبيوتر للتحكم وتطوير البرامج الثابتة. يمكن استخدام بطاقات من Texas Instruments أو NXP.
المواصفات وأمثلة اختبار SiC ومزايا مجموعة SpeedVal Kit ™
بعض المواصفات
تم تصميم المجموعة لاختبار SiC MOSFETs إلى مستوى جهد يبلغ 900 فولت وتيار 40 أمبير. تم تكوينه لهندسة نصف جسر ويسمح بالعديد من الاختبارات بناءً على ذلك ، كما هو موضح في الشكل 6.
التقليل من محاثة حلقة الطاقة
تعتمد اختبارات التبديل بشكل كبير على الحث الطفيلي في مسار التبديل. كما هو مبين في الشكلين 8 (أ) و 8 (ب) ، تتم توصيلات الحافلات للقضبان الموجبة والسالبة إلى بطاقة الابنة عبر مجموعة من 33 دبوسًا لكل منها ، وتوضع عند طرفي موصل حافة البطاقة الجديد. يضمن هذا الحد الأدنى من مساحة الحلقة مع محاثة الحلقة الكلية المنخفضة بحوالي 24 nH. بينما يمكن استخدام طرق أكثر تكلفة / معقدة لتقليل هذا الأمر بشكل أكبر ، فقد تم تصميم هذه اللوحة لمحاولة محاكاة ظروف تبديل الحياة الحقيقية وعدم جعل شروط اختبار SiC بحيث تكون غير واقعية في تطبيقات العملاء.
الاستشعار الحالي
يمكن أن يكون للاستشعار الحالي أثناء اختبار تبديل SiC مثل DPT تأثير كبير على النتائج المقاسة. يلزم عرض النطاق الترددي العالي ويجب تقليل محاثة الإدخال إلى الحد الأدنى حيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة التجاوز عند إيقاف التشغيل وتقليل وقت الاسترداد العكسي المقاس عند التشغيل. أحد الخيارات المستخدمة في هذه اللوحة هو استخدام اتصال متوازي لثمانية مقاومات SMD shunt 0603. يوصى باستخدام مقاومات 1 لاختبار DPT للحصول على نسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة ، بينما تُستخدم قيم أقل بكثير (40-80 متر مكعب) لاختبار الطاقة المستمر. أظهرت المقارنات التي تم إجراؤها بين نهج تحويل SMD هذا ونهج إحساس المحولات الحالية ذات المرحلتين نتائج قابلة للمقارنة ، مع L أقل قليلاً مع نهج التحويل. يمكن أن تستخدم بطاقة ابنة الطاقة أيضًا طريقة الإحساس المقطعي المحوسب على مرحلتين ، والتي توفر مزايا إضافية تتمثل في توفير العزل الجلفاني. يجعل التشبع في المحول مع التشغيل المستمر للطاقة مخطط الإحساس المقطعي هذا مفيدًا فقط في اختبارات التبديل مثل اختبار DPT ، مع الحرص اللازم لتقليل مدة النبض إلى أقل من 20 – 30 ميكرو ثانية.
مثال اختبار التبديل يقارن بين أنواع الحزم
يتم تمييز مقارنة مباشرة بين نوع حزمة MOSFET لأداء التحويل في هذا المثال. كما هو موضح في الشكل 8 (أ) ، تمت مقارنة جزء 4 TO-247 بـ 7 رصاص TO-263 SMT ، مع كون الحزمة هي التمايز الوحيد.
يوضح الشكل 8 (ب) مقارنة خسارة التبديل في اختبار DPT. تحتوي حزمة SMT على محاثة أقل وتعمل كما هو متوقع ، مع خسارة أقل في إيقاف التشغيل (EOFF) وخسارة دوران أعلى (EON) من تيار الاسترداد العكسي الأعلى على الجانب العالي لاختبار SiC FET.
قياسات الطاقة الكاملة
مع لوحات مرشح Buck boost ، يمكن تشغيل تطبيق محول باك أو دفعة بكامل طاقته على هذه المجموعة. يسمح ذلك بقياس البيانات الحرارية وكذلك كفاءة المحول. يوضح الشكل 9 هذه القياسات التي تم إجراؤها على محول دفعة متزامن 20 كيلو هرتز يعمل عند 16.5 كيلو واط.
بعض المزايا الرئيسية لمجموعة SpeedVal Kit ™
- يمكن أن يقلل من مخاطر تصميم العميل لأنه يشمل جميع المكونات بما في ذلك محرك البوابة ولوحات التحكم والأجهزة اللازمة لتشغيل التحقق من الطاقة الكاملة.
- يبسط قياسات التحويل الدقيقة باستخدام حلقة طاقة الحث المنخفض وتصميم استشعار التيار.
- يحتوي على جميع الضمانات المرتبطة مثل نماذج Spice ومقاطع فيديو التدريب وواجهة المستخدم الرسومية للكمبيوتر لبطاقة التحكم لتطوير البرامج الثابتة ، باستخدام ظروف اختبار واقعية ومحرك البوابة الذي سيتم استخدامه في التطبيق النهائي.
- يتيح نهج مجموعة اختبار SiC المعياري إمكانية اختيار لوحات مختلفة لتخصيص ظروف الاختبار.
تعمل Wolfspeed على تطوير مجموعة اختبار SiC مماثلة يمكن استخدامها لاختبار 3 مراحل ، مثل محرك مغناطيسي دائم متزامن. سيسمح هذا أيضًا باختبار الجسر الكامل.
