Questions about IGBT Double-Pulse Test Method

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Estoy realizando la prueba de doble pulso de IGBT, que simula el tiempo de cortocircuito entre fases de los IGBTs—específicamente el cortocircuito de tipo II—bajo condiciones de carga elevada y alta reactancia inductiva. Tengo varias preguntas que hacer:

  1. ¿Por qué la corriente debe subir a la corriente nominal del IGBT durante la fase del primer pulso?

  2. Tras desactivar el primer pulso, ¿por qué el segundo pulso debe hacer que la corriente suba al doble de la corriente nominal?

  3. ¿Cómo determinar el tiempo de apagado entre los dos pulsos, y está relacionado con el tiempo muerto del puente completo?

  4. Al medir la pérdida de encendido, la pérdida de apagado y la inductancia parásita del IGBT, ¿por qué se utiliza el apagado del primer pulso para calcular la pérdida de apagado y el encendido del segundo pulso para calcular la pérdida de encendido—especialmente para el cálculo de la inductancia parásita?

  5. Si el pico de voltaje inverso ha alcanzado el valor nominal al desactivar el segundo pulso, pero la corriente no ha llegado al valor requerido, ¿cómo debemos manejarlo?

¿Existen bases teóricas para las preguntas anteriores?

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No has explicado claramente qué estás diseñando ni por qué necesitas probar condiciones de cortocircuito. ¿Se requiere protección contra cortocircuitos causados por errores del usuario en el accionamiento del motor? Esta es una situación común. ¿Qué tipo específico de cortocircuito estás considerando? ¿Entre fases o a tierra? ¿Necesitas considerar ambos casos?

La prueba de doble pulso (DPT, por sus siglas en inglés) suele emplearse para probar sistemas de electrónica de potencia y sus características dinámicas. Si recién comienzas con este tipo de pruebas, puedes encontrar mucha información usando las palabras clave mencionadas. Un excelente documento técnico de Infineon (recuerdo que también fue publicado en la revista Bodos Power) está disponible aquí:
https://www.infineon.com/assets/row/public/documents/60/54/infineon-double-pulse-testing-bodos-power-systems-article-en.pdf?fileId=5546d46271bf4f920171ee81ad6c4a1f

Al iniciar las pruebas, debes seleccionar un valor de inductancia que coincida con el sistema esperado, por ejemplo, la inductancia de salida del filtro del UPS. Para accionamientos de motores, este valor variará según las características del motor que maneje el producto: motores asíncronos de alta dispersión tienen mayor inductancia, mientras que motores de imán permanente (especialmente los de alta velocidad) tienen menor valor. El valor de inductancia elegido junto con el voltaje del bus de corriente continua determinarán la tasa de cambio de corriente di/dt, es decir:
V/L = di/dt (pendiente de la corriente de prueba).

Es necesario hacer funcionar la etapa de potencia en todo el rango de corriente (desde corrientes mínimas hasta la zona de sobrecarga). Yo suelo probar con tiempos de apagado casi nulos para verificar problemas como la recuperación inversa del diodo. También puedes probar condiciones de cortocircuito: comienzo con voltajes muy bajos de forma cuidadosa (la inductancia L del cortocircuito hace que el valor V/L sea muy pequeño).

Una de las partes más complicadas al construir un sistema DPT es encontrar una fuente de señal que pueda generar trenes de pulsos. Algunos generadores de funciones pueden hacerlo, pero yo generalmente uso un temporizador 555 junto con circuitos lógicos que construyo yo mismo, y primero depuro esta lógica separada de la etapa de potencia.

¡Ten especial cuidado! Un manejo incorrecto podría causar daños al equipo. Yo prefiero alimentarlo con un regulador de voltaje de baja potencia, seguido por un puente rectificador y un banco de capacitores que generen corriente continua, usando capacitores con especificaciones cercanas a las del diseño real. Si hay preocupaciones adicionales por seguridad, añado un transformador de aislamiento después del regulador, lo que permite aislar la etapa de potencia y añadir una impedancia suave desde la fuente principal (el voltaje caerá rápidamente en caso de fallos en el IGBT).

¡Presta especial atención a la conexión a tierra del osciloscopio! Yo prefiero usar sondas diferenciales para mediciones aisladas, evitando así fallas de tierra en el sistema DPT incluso cuando conecto más de una sonda.

Al comenzar las pruebas, inicia con voltajes y corrientes bajos, asegurándote de que el accionamiento de la compuerta funcione correctamente antes de aumentar gradualmente voltaje y corriente. Los IGBT tienen cierta tolerancia a fallos, pero debes ser cuidadoso. En una etapa temprana de mi carrera profesional quemé el vello de una articulación de mi dedo, una lección que me hizo entender profundamente los riesgos de la electrónica de potencia. A pesar de ello, esta sigue siendo una carrera fascinante y llena de satisfacciones.

¡Espero que tu proyecto tenga éxito!

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Ese es un excelente conjunto de preguntas sobre la prueba de doble pulso del IGBT. Esta prueba es, de hecho, fundamental para caracterizar el rendimiento dinámico de conmutación y los límites de operación segura de los semiconductores de potencia.

Aquí están las bases teóricas y explicaciones para sus preguntas:

:light_bulb: Razonamiento detrás de los niveles de corriente

Los niveles de corriente se eligen específicamente para caracterizar el rendimiento del IGBT en sus condiciones nominales y su Área de Operación Segura (SOA).

  • ¿Por qué la corriente debe aumentar hasta la corriente nominal del IGBT durante la primera fase de pulso?

    • El propósito principal del apagado del primer pulso es medir la pérdida de apagado (\boldsymbol{E_{off}}) y las características de apagado en la corriente nominal del dispositivo (\boldsymbol{I_{C, rated}}).
    • Dado que las pérdidas de conmutación dependen fuertemente de la corriente, probar en I_{C, rated} asegura que la pérdida medida represente el rendimiento del dispositivo bajo condiciones normales de operación.
    • El primer pulso debe ser suficientemente largo para magnetizar el inductor de carga y alcanzar esta corriente objetivo: I_{C, rated} = \frac{V_{DC}}{L} \cdot t_{on,1}.

  • ¿Después de apagar el primer pulso, por qué el segundo pulso debe hacer que la corriente aumente al doble de la corriente nominal?

    • El encendido del segundo pulso se usa principalmente para medir la pérdida de encendido (\boldsymbol{E_{on}}) y las características de recuperación inversa del diodo de libre circulación (FWD) cuando la corriente conmuta nuevamente al IGBT en la corriente nominal I_{C, rated}.
    • Su suposición de que la corriente debe aumentar al doble de la corriente nominal durante el segundo pulso es típica para una prueba de cortocircuito (Tipo II), que es una prueba diferente (aunque relacionada).
    • Para la prueba estándar de doble pulso, el segundo pulso se mantiene corto para que la corriente no supere significativamente el nivel de I_{C, rated} establecido durante el primer pulso. Esto asegura que el encendido y el subsiguiente apagado del segundo pulso ocurran aproximadamente en I_{C, rated}. El segundo pulso debe ser lo suficientemente corto para evitar un calentamiento excesivo y sobrepasar la Área de Operación Segura con Polarización Inversa (RBSOA).
    • Sin embargo, para su objetivo específico de simular la fase de cortocircuito tipo II, el objetivo es diferente: está probando intencionalmente la capacidad del IGBT para soportar y apagar de manera segura una sobrecorriente. En este contexto, el pulso suele ser lo suficientemente largo para permitir que la corriente aumente a un múltiplo alto (por ejemplo, 1.5 \times a 2 \times) de I_{C, rated} o la corriente pulsada máxima del dispositivo (\boldsymbol{I_{CRM}}) para caracterizar su capacidad para sobrevivir a una falla de cortocircuito y la sobretensión correspondiente al apagado.

:stopwatch: Tiempo de apagado entre pulsos

  • ¿Cómo determinar el tiempo de apagado entre los dos pulsos, y está relacionado con el tiempo muerto del puente completo?
    • El tiempo de apagado (o tiempo de conmutación / tiempo de apagado) entre los dos pulsos se determina según la necesidad de recuperación completa del diodo y mediciones estables.
    • Objetivo principal: El diodo de libre circulación (FWD) debe recuperar completamente su capacidad de bloqueo y permitir que la corriente disminuya ligeramente a través del gran inductor de carga antes de que comience el segundo pulso. Si el FWD aún está en recuperación inversa cuando comienza el segundo pulso, la medición de encendido se distorsionará. Una duración típica podría estar en el rango de unos pocos microsegundos (\mu s) a decenas de microsegundos, pero depende principalmente del tiempo de recuperación inversa (\boldsymbol{t_{rr}}) del FWD y del valor del inductor.
    • Tiempo muerto: Este tiempo de apagado es conceptualmente similar, pero NO es directamente lo mismo que el tiempo muerto de un puente completo/media onda. El tiempo muerto (o tiempo de enmascaramiento) en un circuito convertidor es un breve retraso protector aplicado entre el apagado de un interruptor y el encendido del interruptor complementario para prevenir un cortocircuito “shoot-through”. El tiempo de apagado en la prueba de doble pulso suele ser mucho más largo que el tiempo muerto de aplicación, ya que su función es gestionar la energía magnética y asegurar una corriente estable para la próxima medición.

:chart_decreasing: Pérdidas y medición de inductancia parásita

  • ¿Por qué se usa el apagado del primer pulso para calcular la pérdida de apagado, y el encendido del segundo pulso para calcular la pérdida de encendido?

    • Pérdida de apagado (\boldsymbol{E_{off}}): El apagado del primer pulso es el primer evento de conmutación que ocurre en la corriente de prueba deseada (I_{C, rated}) y el voltaje completo del enlace de CC (V_{DC}). Dado que el circuito comienza con I_C = 0 en t=0, el dispositivo está fresco y la corriente se ha acumulado limpiamente.
    • Pérdida de encendido (\boldsymbol{E_{on}}): El encendido del segundo pulso es el evento que involucra la recuperación inversa del diodo de libre circulación (FWD). El FWD conduce la corriente de carga (magnetizada por el primer pulso) cuando el IGBT se enciende. Esta corriente de recuperación inversa del diodo (\boldsymbol{I_{rr}}) causa una corriente pico significativa y es una parte integral de la pérdida total de encendido del IGBT. Por lo tanto, este es el único punto correcto para medir E_{on} bajo condiciones de operación realistas.

  • ¿Especialmente para el cálculo de la inductancia parásita?

    • La inductancia parásita (\boldsymbol{L_{s}}) del bucle de conmutación se calcula utilizando la sobretensión (\Delta V) durante el apagado del primer pulso.
    • Durante el apagado, el cambio rápido en la corriente (\frac{di}{dt}) a través de la inductancia parásita induce una sobretensión (\Delta V):
      \Delta V = L_{s} \cdot \left|\frac{di}{dt}\right|.
    • Esta conmutación de corriente es limpia al final del primer pulso y proporciona la \Delta V más pronunciada para un cálculo preciso de L_s. La sobretensión se superpone al voltaje del enlace de CC, V_{CE, peak} = V_{DC} + \Delta V. El encendido del segundo pulso también tiene efectos de L_s, pero el evento de apagado proporciona una medición más directa para la inductancia parásita del bucle de conmutación.

:stop_sign: Manejo de límites de voltaje y corriente

  • ¿Si la sobretensión inversa ha alcanzado el valor nominal cuando se apaga el segundo pulso, pero la corriente no ha alcanzado el valor requerido, cómo debemos manejarlo?
    • La sobretensión inversa (V_{CE, peak}) al apagarse nunca debe exceder el voltaje de bloqueo nominal del dispositivo (\boldsymbol{V_{CES}}), ya que esto provocaría una ruptura destructiva. La corriente máxima permitida que el IGBT puede apagar de manera segura está limitada por la Área de Operación Segura con Polarización Inversa (RBSOA).
    • Acción: Si V_{CE, peak} alcanza V_{CES} (o el 80% de V_{CES} para un margen de seguridad) antes de que la corriente alcance su objetivo (por ejemplo, 2 \times I_{C, rated} para una prueba de cortocircuito), debe dejar de aumentar la corriente.
    • Soluciones para aumentar la corriente de manera segura:
      1. Aumentar la Resistencia de Puerta (\boldsymbol{R_G}): Una R_G mayor reduce la velocidad de apagado \frac{di}{dt}, lo que disminuye la sobretensión \Delta V (ya que \Delta V \propto \frac{di}{dt}), permitiendo que el IGBT apague una corriente más alta antes de alcanzar el límite de voltaje.
      2. Reducir la Inductancia Parásita (\boldsymbol{L_s}): Optimice la disposición del circuito de prueba (barras colectoras más cortas y anchas) para minimizar L_s. Dado que \Delta V es directamente proporcional a L_s, reducir L_s disminuye directamente la sobretensión.
      3. Ajustar el Voltaje del Enlace de CC (\boldsymbol{V_{DC}}): Reducir ligeramente V_{DC} también proporciona margen para la sobretensión \Delta V antes de alcanzar el límite de V_{CES}.

Este video demuestra la configuración práctica y el proceso para la prueba de doble pulso del IGBT, ilustrando visualmente los dos pulsos y las formas de onda resultantes.

Cómo medir las pérdidas de conmutación - Prueba de doble pulso