Новый подход к программному обеспечению Deskew ускоряет тестирование двойного импульса

Точные измерения потерь энергии являются одной из ключевых целей двойного импульсного тестирования. Устранение временного сдвига между пробниками напряжения и тока — критически важный шаг для получения точных измерений мощности и энергии на осциллографе.

Программное обеспечение для двойного импульсного тестирования (WBG-DPT), доступное на осциллографах серий 4B, 5B и 6B, включает новую технологию выравнивания (deskew), разработанную специально для двойного импульсного тестирования. Этот новый подход значительно отличается от традиционного и существенно быстрее. Он может сэкономить часы при проведении испытаний.

Методика работает для преобразователей мощности, использующих как FET, так и IGBT. В рамках этой статьи будет использоваться терминология FET для упрощения.

Зачем нужно выравнивание (Deskew)?

Энергетические потери при переключении необходимо минимизировать при разработке любого преобразователя мощности. Эти потери энергии можно измерить с помощью осциллографа. Общий подход заключается в умножении одновременных выборок напряжения и тока для получения формы сигнала мощности:

p(t) = v(t) * i(t)

Так как форма сигнала мощности отражает потребление энергии во времени, энергию можно определить, интегрируя сигнал мощности:

E = ∫p(t)dt

Чтобы эти измерения потерь энергии были точными, переходные процессы на формах сигналов тока и напряжения должны быть синхронизированы во времени. Поэтому, чтобы получить значимые измерения потерь энергии, разработчики должны компенсировать различия во временных задержках, вызванные испытательными приспособлениями и пробниками.

Традиционно сдвиг между пробниками вычисляется до начала каких-либо измерений в испытательной установке. Для низковольтных применений можно использовать генератор сигналов и адаптер deskew (Tektronix P/N 067-1686-03) для выравнивания. Однако этот подход не оптимален для высоковольтных и высокотоковых приложений.

Традиционная методика выравнивания измерений напряжения стекания с низкой стороны (VDS) и тока стока (ID) в более мощных приложениях требует изменения конфигурации испытательной установки. Индуктор нагрузки необходимо удалить и заменить на резистор. Затем выполняются измерения и выполняется выравнивание сигналов VDS и ID. Эта процедура может занять час и более.

Обычные проблемы выравнивания (Deskew)

Более 60 минут на один цикл выравнивания

1. Удалить нагрузочный индуктор
2. Подключить резистор с низкой индуктивностью
3. Подать напряжение на шину DC
4. Измерить Vgs, Vds и Ids на нижнем транзисторе
5. Сохранить осциллограммы
6. Выровнять осциллограммы напряжения и тока по вертикали
7. Увеличить участок включения/выключения
8. Измерить задержку и применить выравнивание
9. Подключить нагрузочный индуктор обратно
10. Начать тест

Новый подход к выравниванию (Deskew)

Программная технология выравнивания Tektronix WBG-DPT — первая в отрасли — устраняет необходимость переподключения проводки и выполняется после проведения измерений двойного импульса.

В новом методе ток стока (ID) захватывается и используется в качестве опорной осциллограммы. Во время включения рассчитывается осциллограмма выравнивания VDS нижнего транзистора, используя параметрическую модель тестовой схемы. Эта осциллограмма выравнивания ссылается на осциллограмму ID и не имеет временного сдвига относительно неё.

Алгоритм выравнивания определяет временной сдвиг между рассчитанной осциллограммой VDS и измеренной осциллограммой VDS, а затем применяет корректировку к каналу измерения VDS.

Процедура выравнивания (Deskew)

Как отмечалось выше, выравнивание может быть выполнено после проведения измерений. Можно начать тест двойного импульса, не беспокоясь о временном сдвиге между VDS и ID, а затем перейти к настройкам Deskew и указать следующие параметры:

• Сопротивление пробника – предполагается, что это резистор для наблюдения тока (CVR) или шунтирующий резистор (shunt resistor) в контексте данного материала
• Эффективная индуктивность "петли"
• Напряжение смещения (среднее значение VDS на нижнем FET при его выключенном состоянии)
• Порядок фильтрации (Differential Order – порядок фильтра, используемый моделью для сглаживания)

Рисунок. Эквивалентная схема, используемая для построения выравнивающей формы сигнала VDS_low. В данной схеме предполагается, что для измерения ID используется резистор для наблюдения тока (current viewing resistor, CVR).

Значения напряжения смещения (Bias Voltage) и эффективной индуктивности (Effective Inductance) могут определяться автоматически. Параметры, введённые в меню deskew, используются для построения выравнивающей формы сигнала VDS. Форма сигнала строится на основе закона Кирхгофа для напряжения (Kirchhoff’s Voltage Law):

Где:

·         VDD - VDS_high — это напряжение питающей шины и падение напряжения на верхнем (high-side) ключе. Обратите внимание, что во время включения это значение будет практически постоянным, поскольку VDD фиксировано, а VDS_high — это напряжение на p-n переходе (body diode) верхнего ключа.

·         Rshunt — сопротивление токоизмерительного шунта.

·         ID — измеренный стоковый ток, полученный по падению напряжения на Rshunt.

·         dID/dt — измеренная скорость изменения стокового тока.

·         Leff — эффективная индуктивность всей силовой петли.

Во время включения значение VDD - VDS_high практически постоянно, как указано выше. Rshunt и Leff также являются постоянными величинами. Это означает, что моделируемая выравнивающая форма сигнала VDS_low является функцией ID.

После настройки параметров пользователь нажимает кнопку WBG Deskew. Система создаёт математическую модель VDS на основе заданных параметров и стокового тока. Эта выравнивающая форма сигнала отображается на экране.

Выровненная форма сигнала VDS, рассчитанная на основе ID, сравнивается с измеренной формой сигнала VDS. Смещение (skew) — это временная разница между выравненной и измеренной формами сигнала. После вычисления, это смещение может быть удалено из формы сигнала ID.

Эффективная индуктивность (Leff) представляет собой «сосредоточенный» элемент, который учитывает всю петлю, как показано выше. Поэтому Leff часто неизвестна, и её точная настройка будет итерационным процессом. Процедура deskew может легко запускаться повторно, и значения Leff можно корректировать до тех пор, пока расчётная выравнивающая форма сигнала и измеренная форма сигнала VDS не совпадут по форме. Если между формами сигналов есть различия, параметры можно откорректировать и повторно запустить deskew.

Когда параметры точно отражают характеристики системы, модель выравнивающей формы сигнала будет совпадать по форме с измеренной, и система сможет определить и устранить смещение. Значение смещения отображается в настройках Deskew и автоматически применяется к каналу, к которому подключён сигнал VDS.

Новый процесс точно учитывает смещение и сокращает время deskew с часа и более до всего 5–10 минут.

С помощью программного обеспечения WBG-DPT такие параметры схемы, как эффективная индуктивность и напряжение смещения, могут определяться автоматически. В результате значение смещения может быть рассчитано с меньшим участием оператора.

Автоматический метод расчета смещения, при котором упрощается определение эффективной индуктивности.