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高振幅的任意/函数产生器
简化汽车、半导体与工业应用的量测作业

【作者: Tektronix】2008年12月08日 星期一

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改善任意/函数产生器 的应用

许多的电子设计应用需要高振幅输出,其要求都超越今日市面上大部分任意/函数产生器所提供的振幅范围。这些应用包括功率半导体,例如汽车电子系统和交换式电源供应器中广泛使用的MOSFET和IGBT,或是气相层析和质谱仪侦测器的放大器,以及科学和工业中的其他应用。


任意/函数产生器通常提供高达10 Vpp至50 ?负载及20 Vpp至开路的振幅,上述这些装置常常需要两倍的输入范围运作。直到现在,以完整运作范围测试这些装置常需要外接放大器,以增强标准产生器提供的讯号振幅。但这提高测试设定的复杂性,且放大器输出的有效振幅会产生不确定性,因而增加了设备成本。


传统途径

《图一 使用外接放大器的量测设定示意图》
《图一 使用外接放大器的量测设定示意图》

@内文;图一显示标准任意/函数产生器的典型量测设定,利用额外的放大器,将振幅放大到所需的等级;产生器输出连接至放大器输入。某些放大器允许设定输入以及输出,以配合不同来源和 负载阻抗。升压放大器通常未配备显示器,因此必须使用示波器或其他量测装置,对有效输出振幅进行监控。这架构增加了量测设定的复杂性,且需要更多量测时间,特别是当振幅位准在测试前及测试期间进行调整和验证的时候。


量测功率MOSFET的切换时间

功率MOSFET应用

功率MOSFET用于各种汽车运动控制、电源管理和气候控制应用,可驱动小型马达、电磁线圈、防锁死煞车、电子动力转向和电子车身稳定系统,以及H.I.D头灯的启动电路。功率MOSFET也是整合式启动器/交流发电机的主要元件。


《图二 DC马达驱动中的4 MOSFET H-bridge配置示意图》
《图二 DC马达驱动中的4 MOSFET H-bridge配置示意图》
《图三 MOSFET电路图与同等电路示意图》
《图三 MOSFET电路图与同等电路示意图》

图二显示的范例,是在H-bridge网路结构中使用MOSFET来驱动DC马达,这项配置提供前进、倒退与煞车等功能。


MOSFET技术简要

当用作开关时,MOSFET的基本功能可透过闸极讯号控制漏极电流。在这些应用中,电路设计人员在选择元件时,会将切换时间视为重要标准。 MOSFET的切换效能,取决于其整个内部电容改变电压所需的时间,如图三所示。值得注意的是,闸至源极电压必须先将MOSFET的输入电容,充电至其特性临界值,才能开始传导漏极电流。


任意/函数产生器量测MOSFET电路

我们感兴趣的时间相关参数是启动与关闭延迟,以及上升与下降时间。若要量测这些参数,会以讯号产生器输入产生的窄脉冲激发MOSFET的闸极。闸极与汲极电压是使用示波器量测,如图四所示。


《图四 功率MOSFET的量测切换时间设定示意图》
《图四 功率MOSFET的量测切换时间设定示意图》

使用具备整合高振幅输出阶段的任意/函数产生器,而非使用外部放大器,可为使用者提供MOSFET输入电路有效讯号振幅的直接能见度,而无须使用示波器量测。


现在可以便利的方式启动延迟,透过对示波器画面上显示的轨迹,进行游标量测测定。启动延迟是从闸到源极电压到达其最终值的10%、到漏到源极电压减少至其初始值的90%,其中间所经过的时间。同样地,关闭延迟是从闸到源极电压减少至其先前等级的90%、到漏到源极电压增加至供电压的10%,其中间所经过的时间。若要量测汲极讯号的上升与下降时间,现代的示波器可提供便利的自动化量测。


《图五 任意/函数产生器直接在显示屏上显示振幅示意图》
《图五 任意/函数产生器直接在显示屏上显示振幅示意图》
《图六 功率MOSFET的量测切换时间示意图》
《图六 功率MOSFET的量测切换时间示意图》

分析IGBT的切换波形

IGBT应用特性

近年来,在工业与汽车应用中不断增加使用绝缘闸双极电晶体(IGBT),作为MOSFET的替代品,这是由于IGBT具有高切换速度、高电流容量、高阻隔电压,以及简单的闸极驱动特性,但启动状态中则具备更低的传导损耗和电压降。


《图七 IGBT电路符号与同等电路》
《图七 IGBT电路符号与同等电路》

IGBT的工业应用包括牵引装置、变频马达驱动器、不断电系统(UPS)、感应加热、焊接,以及电信与伺服器系统中的高频切换模式电源供应器。在汽车产业中,在点火线圈驱动电路、马达控制器和安全相关系统方面,IGBT的需求相当大。


IGBT技术简要

IGBT是介于双极性电晶体和MOSFET间的电晶体。在输出切换和传导特性方面,IGBT类似于双极性电晶体。不过,双极性电晶体是以电流控制,IGBT则像MOSFET一样,是以电压控制。为确保完全饱和与限制短路电流,一般建议使用+15V的闸极驱动电压。


具电容特性的IGBT

如同MOSFET,IGBT在闸极、射极和集电极间具有电容特性。在闸极和射极终端间施用电压时,输入电容会以指数形式透过闸极电容RG充电,直到IGBT的特性临界值电压,到达产生集电极到射极传导的程度。同样地,在集电极到射极传导中断、以及IGBT关闭前,输入闸极到射极电容也必须放电至特定平台电压。


IGBT闸极电阻特性

闸极电阻的大小,会对IGBT的动态启动与关闭特性,造成极大的影响。较小的闸极电阻,可以更快的速度,将IGBT的闸道射极电容充电和放电,进一步缩短切换时间,并减少切换损耗。不过,由于IGBT的闸极到射极电容和引线的寄生电感,小的闸道电容值也会造成振荡。若减少关闭损耗,提高IGBT对杂讯因集电极到射极电压变更率而注入的杂讯,电容负载的此种杂讯可能很多的免疫力,我们建议闸极驱动电路包含相当程度的开关偏差。



《图八 IGBT闸极驱动电路与切换测试电路》
《图八 IGBT闸极驱动电路与切换测试电路》

任意/函数产生器分析IGBT切换波形

IGBT的最佳效能随应用不同,闸极驱动电路必须依应用设计。在马达驱动或不断电系统等硬式切换应用中,必须选择闸极驱动参数,让切换波形不超过IGBT的安全工作区。这暗示着以产生切换损失来达成切换速度。在软式切换应用中,切换波形非常符合安全操作范围,可设计切换时间短和较低切换损耗的闸极驱动器。


《图九 IGBT 的切换波形示意图》
《图九 IGBT 的切换波形示意图》

分析IGBT闸极切换特性

若要达成IGBT闸极驱动的最理想设计,设计工程师必须了解在实际负载状况下,装置的切换特性。若要分析这些切换特性,可利用一系列的单脉冲激发IGBT的闸极,同时使用示波器量测闸极到射极电压、集电极到射极,以及集电极电流。由于其产生高振幅脉冲的功能,任意/函数产生器非常适合这项工作。由于IGBT的集电极到射极电压具备非常高的电容负载动态范围,量测需要高电压差动探棒。闸极到射极电压可使用标准被动式探棒量测;集电极电流可使用非侵入式电流探棒量测。


分析结果的优势

图九显示具电容负载的IGBT的典型切换波形。对于这些波形,设计工程师可判定切换能量、开启状态损耗,以及IGBT是否运作于安全工作区内。根据量测资料,工程师可判断选定的脉冲重复频率、振幅和边缘转态,是否足以达成设计目标。若需要调整,任意/函数产生器前面板上专用的快速键,可直接存取所有脉冲参数。这些脉冲参数接着可便利地利用旋钮或数字键修改,而不会有时序干扰和中断测试的情形。


进行量测时必须考量各种因素,例如探棒本来就具有的传输延迟、偏移和杂讯。工程师将发现使用示波器搭配软体工具,可带来许多好处。软体工具可处理探棒相关问题、自动计算切换功率损耗,并判定IGBT的安全工作区。


讯号振幅与负载阻抗

讯号产生器所提供的输出电压,取决于相连负载或待测装置的阻抗。这是因为产生器的输出阻抗。例如,图十显示任意/函数产生器的等效输出电路。取决于振幅设定,任意/函数产生器仪器提供一定的电流I,如果50?的负载ZDUT连接至产生器的输出,有一半的I会流经产生器的输出阻抗ZOUT,而另一半会流经ZDUT。如果ZDUT具备比ZOUT大上许多的阻抗,则几乎所有的I都会流经ZOUT,产生和50?负载相较下几乎大上两倍的输出电压。


《图十 任意/函数产生器的等效输出电路》
《图十 任意/函数产生器的等效输出电路》

任意/函数产生器的规格表,通常针对50?和高阻抗负载,说明最大的输出振幅。例如,任意/函数产生器的输出振幅指定为50?负载20Vpp,以及40Vpp至开路。如需其他负载阻抗值,可使用下列公式计算最大输出电压:


《公式一》
《公式一》

在其标准设定中,任意/函数产生器常设定为50?的负载阻抗。对于其他负载阻抗,可在仪器中设定阻抗值,以显示正确的振幅和偏移值。在任意/函数产生器系列中,是在输出功能表里进行负载阻抗设定,在按下想要的函数钮后,即可存取这些设定。


《图十一 任意/函数产生器系列上的负载阻抗选择示意图》
《图十一 任意/函数产生器系列上的负载阻抗选择示意图》

这里要注意的是,负载阻抗设定不会变更产生器的输出阻抗,也不会改变负载阻抗。此设定只会影响到振幅与偏移显示,并确保仪器显示相连负载各处有效振幅的正确值。


结语

现代化任意/函数产生器无须使用外接功率放大器,即可直接在50?​​负载下产生高达20Vpp的讯号振幅。这简化了测试设定,并降低许多应用中的设备成本。这也可节省量测时间,因为产生器直接在其显示幕上显示有效振幅,无须再另外使用电压表进行量测。除此之外,高振幅任意/函数产生器也能用于测试显示器、气相层析放大器、MEMS技术、电磁线圈,以及质谱仪与相关科学应用。


(本文由美商太克Tektronix提供)


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