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Neue Doppelpuls-Test-Software für AFGs

Schnellere Leistungseffizienztests

06. November 2019, 14:20 Uhr   |  Nicole Wörner

Schnellere Leistungseffizienztests
© Tektronix

Der Doppelpulstest basiert auf einem AFG, der mit einem isolierten Gate-Treiber verbunden ist und zwei Spannungsimpulse mit unterschiedlichen Impulsbreiten erzeugen kann.

Mithilfe eines neuen Software-Pakets für den Arbiträr-Funktionsgenerator AFG31000 von Tektronix lassen sich Doppelpuls-Tests in weniger als einer Minute durchführen - das spart gegenüber anderen Methoden deutlich Zeit. Wie das geht, erklärt Tektronix-Experte Andrea Vinci.

Von Andrea Vinci, Technical Marketing Manager, Tektronix EMEA

Schaltverluste sind bei jedem Leistungsbaustein unvermeidlich. Aber diese Verluste können durch die Optimierung und gründliche Messung von Designparametern hinsichtlich der Energieeffizienz minimiert werden. Die bevorzugte Methode zur Messung der Schaltparameter von MOSFETs und IGBTs ist die Doppelpulsmethode. Durch die Betrachtung der Einschalt-, Ausschalt- und Reverse-Recovery-Parameter können Ingenieure das dynamische Verhalten von Leistungsbausteinen unter verschiedenen Bedingungen umfassend beurteilen – sei es zur Optimierung oder auch zur Verifikation der tatsächlichen Werte und Abweichungen von Leistungsbausteinen oder -modulen.

Zur Durchführung dieses Tests müssen mindestens zwei Spannungsimpulse mit unterschiedlichen Impulsbreiten und präzisem Timing erzeugt werden – ein sehr zeitaufwendiges und erfahrungsgemäß fehleranfälliges Vorgehen. Dies ändert sich jedoch mit der Einführung von AFGs (arbiträren Funktionsgeneratoren), die mit einer Anwendungssoftware für den Doppelpulstest ausgestattet sind. Um einen ersten Eindruck zu gewinnen, wie Sie den Doppelpulstest an Ihren Geräten einfacher durchführen können, schauen wir uns zunächst die Grundlagen für die Doppelpulsmethode an und geben Ihnen dann hilfreiche Tipps und Beispiele für die effiziente Durchführung des Doppelpulstests mit einem AFG und einem Oszilloskop.

Die Herausforderung der Effizienz

Aufgrund der deutlich besseren Performanz wandelt sich die Welt der Leistungselektronik mit Blick auf die Automobilindustrie von Silizium auf Wide-Bandgap-Halbleitertechnologien wie Siliziumkarbid (Sic) und Galliumnitrid (GaN). SiC und GaN ermöglichen ein kleineres, schnelleres und effizienteres Design. Der Bedarf eine immer höhere Energieeffizienz in der Leistungselektronik zu erreichen, erstreckt sich von der Stromerzeugung bis zum Verbrauch, wie in Abbildung 1 dargestellt. Stromrichter arbeiten in mehreren Stufen entlang der gesamten Erzeugungs-, Übertragungs- und Verbrauchskette, und da keiner dieser Vorgänge zu 100% effizient ist, tritt bei jedem Schritt ein gewisser Leistungsverlust auf. 
 

Abbildung 1: Leistungsverluste treten an jeder Stelle von Erzeugung, Übertragung bis hin zum Verbrauch auf.
© Tektronix

Abbildung 1: Leistungsverluste treten an jeder Stelle von Erzeugung, Übertragung bis hin zum Verbrauch auf.

Idealerweise sind Schaltelemente entweder im "Ein"- oder "Aus"-Zustand, wie in Abbildung 2 dargestellt, und schalten zwischen diesen Zuständen sofort um. Im "Ein"-Zustand ist die Impedanz des Schalters ideal Null und es wird keine Energie im Schalter verbraucht – unabhängig davon, wie viel Strom durch ihn fließt. Im "Aus"-Zustand ist die Impedanz des Schalters ideal unendlich, und es fließt kein Strom, so dass keine Leistung abgeführt wird.

 Abbildung 2: Ideales Schalten hat keine Verlustleistung, ist in der Praxis jedoch nicht möglich.
© Tektronix

Abbildung 2: Ideales Schalten hat keine Verlustleistung, ist in der Praxis jedoch nicht möglich.

In der Praxis wird jedoch beim Übergang zwischen "Ein" und "Aus" (Ausschaltvorgang) und zwischen "Aus" und "Ein" (Einschaltvorgang) Energie verbraucht. Diese nicht-idealen Verhaltensweisen entstehen durch parasitäre Elemente in der Schaltung. Wie in Abbildung 3 angedeutet, verlangsamen die parasitären Kapazitäten am Gate die Schaltgeschwindigkeit des Halbleiters und verlängern die Ein- und Ausschaltzeiten. Die parasitären Widerstände zwischen MOSFET-Drain und Source führen zu einer Verlustleistung, sobald Drainstrom fließt. Daher müssen Entwicklungsingenieure alle Zeitparameter messen, um die Schaltverluste auf ein Minimum zu reduzieren und so effizientere Umrichter zu entwickeln. 

Abbildung 3: Die wahre Schaltung sieht einen MOSFET-Schalter ganz anders als auf einem Schaltplan.
© Tektronix

Abbildung 3: Die wahre Schaltung sieht einen MOSFET-Schalter ganz anders als auf einem Schaltplan.

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1. Schnellere Leistungseffizienztests
2. Was ist die Doppelpulsmethode?
3. Doppelpulstest-Setup
4. Weiter geht's mit der Messung

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