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在SiC和GaN驱动系统中应对测量挑战

作者: 浮思特科技2024-06-07 13:54:23

  你是否曾在基于碳化硅 (SiC) 的逆变器上测得超过100%的效率,并认为自己发现了一种通过逆变器创造能量的方法?更可能的情况是,由于电压和电流之间的相位差测量误差导致的电力测量不正确。如果你的电力测量系统无法可靠地测量高频应用,这种情况是很常见的。

SiC和GaN

图1

当然,你的功率分析仪仍然足够好,可以评估开关频率高达10kHz的逆变器效率,因为在这个频率水平上,相位误差的影响较小。然而,对于基于SiC的应用,开关频率高达100kHz时,以及基于氮化镓 (GaN) 的应用频率超过1MHz时,这些功率分析仪将无法提供准确和可重复的结果。

  传统的功率分析仪使用内部测量分流器来测量电流,但在高频下不适合,因为分流器的感应特性会在这些高频下影响幅度和相位的准确性。当需要测量更高的电流并需要外部零磁通电流传感器时,这种情况更加明显。这些传感器本身可能具有足够的准确性,但这些电流传感器通常由与功率分析仪不同的制造商生产,因此它们之间并未优化。

  为SiC和GaN设计的新测量方法

  HIOKI的解决方案将HIOKI功率分析仪与外部HIOKI零磁通电流传感器结合在一起,专为高频功率测量优化设计的独特功能。其中最重要的功能是相位移动补偿功能,以减少相位误差的影响。

  为了使相位移动补偿功能正常工作,你需要两件事情:

  功率分析仪进行正确的相位调整

  具有已知相位移动的电流传感器

  解释功率分析仪中的补偿功能的一个好方法是将其与示波器的“deskew”功能进行比较:如果由于延迟的原因,两个不同的信号在不同时间到达示波器,那么“deskew”功能可以通过固定的时间值补偿延迟来对齐这些信号。

  相位移动补偿基本上是相同的,因为相位误差直接与电流传感器的时间延迟有关。例如,对于HIOKI CT68xxA系列电流传感器,这种延迟的表现如下。时间延迟以纳秒为单位显示在频率上:

SiC和GaN

图2

  100Hz下的100纳秒延迟与1MHz下的100纳秒延迟的影响不一样。这在将上述时间延迟转化为以度为单位描述的相位延迟值时变得很明显:

SiC和GaN

图3

  要解决这个相位延迟问题,你需要一个在任何频率下时间延迟相同的电流传感器。这就是HIOKI电流传感器的情况,这些传感器还会自动将相位延迟值传递给功率分析仪。回到“deskew”功能,你只需将电流传感器连接到PW8001功率分析仪,功率分析仪会自动补偿相位误差。

  这是HIOKI传感器独特的一个特性——但这并不是市场上所有电流传感器的标准特性。以下是典型电流传感器会发生的情况:

SiC和GaN

图4

  频率不同的时间延迟值传感器将使功率分析仪中的相位移动补偿几乎不可能实现。因为你用哪个值作为你的“deskew”参数呢?

  另一个使HIOKI电流传感器独特的特性是导线芯的位置不会影响相位延迟:

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图5

  你只能在图表中看到一条线,因为五个测量位置的相位延迟曲线是相同的,这不留下任何误差的空间。再次强调,这不是电流传感器的标准特性。通常,传感器内导线芯的位置会影响相位误差,如下图所示:

SiC和GaN

图6

  适用于高达5kV的应用

  如果你正在处理高频和高电压应用,有一种解决方案可以进一步覆盖这一领域:高精度高压分压器。精确测量高达5kV的功率能力相比现有的使用差分探头的解决方案在准确性上取得了显著进步。这对于涉及SiC和GaN半导体的高电压和高频应用特别有利,因为其4MHz的带宽和已知的相位误差,使得在功率分析仪中补偿相位误差成为可能。

  有效测量的关键

  测量结果的可重复性对于得出结论至关重要。HIOKI日本总部的工程师们使用PW8001功率分析仪结合50A AC/DC传感器CT6872测量了基于SiC的逆变器的效率,测量时间为30秒。SiC半导体的开关频率为50kHz,电机的恒定速度为1000rpm。测量的积分时间设为200ms,本实验中电机电流约为2A。下图显示了测量的出色稳定性:

SiC和GaN

图7

  在30秒内最大和最小结果之间的差异小于0.2%。这项实验表明,即使在低电流下,这个设置也能提供出色的可重复性,这是开发阶段的关键,因为它可以识别由于设计变化而带来的微小效率提升。然而,只有通过有效的相位移动补偿才能实现如此精确的结果。

  在相同测试条件下,测试了两个知名电力测量系统供应商的产品。结果如图8所示:

SiC和GaN

图8

  在这种情况下,测量的可重复性要差得多。两个系统的最大效率和最小效率之间的差值都超过了1%。这使得工程师很难得出设计变化是否产生了影响的结论。例如,即使你测量到效率提高了0.9%,这也可能是由于测量可重复性差所致,而你可能根本没有实现效率的提高。

  一体化测量系统

  为了实现有效的相位移动补偿,需要拥有相位移动补偿功能的功率分析仪和在高频下具有稳定且已知时间延迟特性的电流传感器。PW8001功率分析仪甚至具有自动相位移动补偿功能,使其能够自动识别电流传感器,并使用传感器提供的数据相应地调整相位补偿。

SiC和GaN

图9

浮思特科技专注功率器件领域,为客户提供IGBTIPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片,是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。


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