Development and simulation of forward current test pulse generator for studying power diodes

Abstract

The article presents the results of the simulation of a circuit design solution for a direct current pulse generator for testing semiconductor devices and a program for generating a control voltage of a half-sine waveform of a test pulse in the form of a 12-bit binary code in the VHDL language. The operation algorithm of the generator of half-sinusoidal current pulses is described.

Full Text

При экспериментальном исследовании вольт-амперных характеристик (ВАХ) и тепловых характеристик (ТХ) силовых полупроводниковых приборов (СПП) в состоянии высокой проводимости (СВП) в совокупности с высокоточной измерительной аппаратурой используются различные управляемые источники тока (УИТ) [1; 2; 3; 4]. Результаты проведённых испытаний позволяют оценивать качество изготовления СПП и выявлять потенциально ненадёжные приборы [5].

Согласно ГОСТ 24461—80 [6] испытание силовых диодов (СД) и силовых тиристоров (СТ) в СВП осуществляются путём пропускания через них одиночных испытательных импульсов тока iF(T) (прямой ток iF для СД и ток в открытом состоянии i_T для СТ) однополупериодной синусоидальной формы длительностью до 10 мс [2] и измерения падения импульсного прямого напряжения u_F(T). При этом для исследования СПП в различных электрических и тепловых режимах используются иные формы испытательных импульсов тока iF(T). На рисунке 1 приведены некоторые формы этих испытательных импульсов тока.

Рис. 1. Некоторые типовые формы испытательных импульсов токов iF(T).

Для исследования ВАХ и ТХ СПП в СВП нами разработано схемотехническое решение управляемого генератора испытательных импульсов тока (генератор), которое позволяет создавать импульсы тока различных форм. На рисунке 2 приведена разработанная структурная схема генератора испытательных импульсов тока.

Рис. 2. Структурная схема генератора испытательных импульсов тока.

Структурная схема генератора состоит из следующих блоков.

• БКУ ─ блок кнопок управления, где с помощью кнопки ПУСК запускается работа генератора испытательных импульсов, а с помощью кнопок +I и –I регулируется амплитуда испытательного импульса тока.
• ПЛИС ─ программируемая логическая интегральная схема.
• ЦАП ─ цифро-аналоговый преобразователь.
• МУ ─ масштабирующий усилитель.
• УИТ ─ управляемый источник тока.
• НАГРУЗКА ─ исследуемый полупроводниковый прибор.
• ЛИН ─ линейный источник напряжения.

Рассмотрим алгоритм работы разработанной структурной схемы генератора при формировании в НАГРУЗКЕ импульсов тока полусинусоидальной формы.

При нажатии кнопки ПУСК БКУ запускается работа программы в ПЛИС. При этом на выходах ПЛИС генерируются сигналы напряжения, соответствующие параллельному 12-ти разрядному двоичному код, которые поступают на ЦАП. На выходе ЦАП формируются импульсы напряжения в диапазоне от 0 В до 5 В полусиносоидальной формы, который через МУ формирует во времени на входе УИТ управляющие импульсы напряжения полусиносоидальной формы в диапазоне значений от 0 до 10 В. УИТ, который питается от ЛИН, формирует в нагрузке испытательные импульсы тока с заданной амплитудой. В настоящее время рассматривается формирование импульсов тока полусиносоидальной формы (см. рис. 1) с амплитудой до 10 А при изменении входного управляющего сигнала с амплитудой до 10 В.

Проверка работоспособности разработанного схемотехнического решения генератора была проведена путём моделирования основных блоков в программной среде Multisim (рисунок 3). При этом выделенный блок генератора импульсов напряжения (ГИН) эмитирует работу блоков БКУ, ПЛИС и ЦАП структурной схемы. Остальные выделенные блоки выполняют функции соответствующих блоков, представленных на структурной схеме. В качестве нагрузки был выбран диод D1 MSRF1560 рассчитанный на максимальный постоянный ток I_F = 15 А и пиковое повторяющееся обратное напряжение U_RRM = 600 В. С целью минимизации электрических потерь в силовой выходной цепи УИТ напряжение источника питания (ЛИН) было выбрано равным 5 В, что достаточно для формирования испытательного импульса тока с амплитудой до 10 А [7].

Рис. 3. Визуализация модели генератора испытательных импульсов тока в программе Multisim.

С помощью виртуальных приборов «Осциллограф» в программе Multisim были получены осциллограммы испытательных импульсов тока, пропускаемых через диод D1 и

падения напряжения на диоде D1. На рисунке 4 приведены полученные осциллограммы.

Рис. 4. Осциллограммы испытательных импульсов тока iF(T) (а) и импульсного падения напряжения uF(T) на диоде D1 (б).

На рисунке 4, а показано, что разработанная визуальная модель генератора испытательных импульсов генерирует импульсы тока амплитудой до 10 А. На рисунке 4, б показано, что при пропускании через диод D1 импульсов тока амплитудой 10 А значение падения напряжения на диоде составляет 1,28 В. На рисунке 5 приведены осциллограммы управляющих импульсов напряжения на входе МУ и выходе МУ.

Рис. 5. Осциллограммы управляющих импульсов напряжения на входе МУ (линии красного цвета) и выходе МУ (линии синего цвета).

Для реализации приведённых на рисунках 1 и 4 испытательных импульсов тока нами была разработана программа генератора испытательных импульсов различной формы на ПЛИС [8]. В качестве генератора формы испытательного импульса была выбрана ПЛИС фирмы Altera семейства cyclone EP4CE22F17C6N. Для данной ПЛИС в программной среде Quartus на языке описания аппаратуры интегральных схем VHDL была написана программа генерации 12-ти разрядного двоичного кода. Полученная программа приведена на рисунке 6.

Рис. 6. Программа формирования 12-ти разрядного двоичного кода на языке VHDL.

Программа состоит из следующих блоков, написанных на языке VHD:

• pulse_gen ─ это блок, с помощью которого генерируется параллельный 12 разрядный двоичный код;
• portsSetUp ─ это блок управления и настройка работы ЦАП;
• порты ввода C, R;
• порты вывода Dataout[.11], CS, WR, AB, PD, LDAC, CLR.

Программа работает по следующему алгоритму. С порта ввода clk поступают тактирующие импульсы напряжения частотой 50 МГц на входной порт C блока pulse_gen и на входной порт CLK блока portsSetUp. Внутренний делитель частоты блока pulse_gen осуществляет деление таким образом, чтобы за период времени 5 мс количество таких импульсов составляло 4 096 (12 разрядов двоичного кода). Вывод полученного кода происходит с помощью порта вывода Q[0..11].

Разработанная программа для ПЛИС была промоделирована в программе ModelSim. На рисунке 7 приведены временные диаграммы выходных сигналов ПЛИС.

Рис. 7. Временные диаграммы работы программы блока pulse_gen.

В результате проделанной работы получены следующие результаты:

• разработана программа для формирования импульсов напряжения на языке VHDL в программном продукте Quartus для создания управляющих сигналов УИТ полусинусоидальной формы;
• разработано схемотехническое решение генератора испытательных импульсов прямого тока для определения параметров и характеристик СПП в СВП.

Полученные результаты моделирования в дальнейшем будут использованы при разработке экспресс-метода и аппаратуры для определения ряда электрических и тепловых характеристик и параметров СПП в СВП.