ГОСТ Р 71155-2023 Устройства преобразования энергии на основе нитрида галлия. Метод измерений для оценки непрерывного переключения

        ГОСТ Р 71155-2023

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ

Метод измерений для оценки непрерывного переключения

Energy conversion devices based on gallium nitride. Test method for evaluation of continuous switching

ОКС 29.100

Дата введения 2024-02-29

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Акционерным обществом "Научно-производственная фирма "Микран" (АО "НПФ "Микран"), Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ФГБОУ ВО "ТУСУР"), Федеральным бюджетным учреждением "Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Томской области" (ФБУ "Томский ЦСМ"), Федеральным государственным бюджетным учреждением "Российский институт стандартизации" (ФГБУ "Институт стандартизации")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 328 "Сверхвысокочастотная и силовая электроника"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 29 декабря 2023 г. N 1773-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает средства электрического управления силовыми переключающими устройствами на основе нитрида галлия (далее - устройства GaN) в цепи с непрерывным переключением и метод определения форм динамических переключающих сигналов и диаграмм для оценки непрерывного переключения. Метод измерений может быть применен к следующим устройствам:

- дискретным силовым устройствам GaN, работающим в режимах обогащения и обеднения;

- интегрированным силовым устройствам GaN.

Силовые устройства GaN в корпусе имеют более реалистичный профиль нагрузки, чем изделия на пластине, за счет учета взаимодействия с паразитными элементами, а также кумулятивного самонагрева и механических эффектов. Метод, установленный в настоящем стандарте, применим на уровне пластин для определения технологических характеристик устройств GaN с надлежащим учетом соединений зондов и их влияния на результаты измерений.

В настоящем стандарте установлено общее руководство по схемам и методам измерений, которые можно использовать для определения безопасной зоны работы устройства.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 19095 Транзисторы полевые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров

ГОСТ 27264 Транзисторы силовые биполярные. Методы измерений

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины, определения, сокращения и обозначения

3.1 В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 19095, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1.1 жесткое переключение: Метод переключения при высоком импульсном токе и напряжении сток - исток, в основном происходящего при коммутации активно-индуктивной нагрузки.

Примечания

1 В режиме жесткого переключения осуществляется перекрытие напряжения сток - исток и тока канала, при котором силовое устройство переключается либо из состояния "включено" в состояние "выключено", либо из состояния "выключено" в состояние "включено". Преобразователи с жестким переключением представляют собой повышающие преобразователи с коррекцией коэффициента мощности, понижающие преобразователи, инверторы управления двигателем и несимметричные обратноходовые цепи.

2 Во время включения и выключения на устройство подается напряжение и ток. При жестком переключении ток стока и напряжение сток - исток резко изменяются, вызывая шумы переключения и потери. Жесткое переключение используется для простых переключателей, преобразователей частоты и импульсных преобразователей питания.

3.1.2 мягкое переключение: Метод переключения транзистора при пониженном (или нулевом) напряжении сток - исток и (или) токе стока.

Примечания

1 Режим мягкого переключения соответствует условию, при котором отсутствует перекрытие напряжения сток - исток и тока стока, коммутационный транзистор GaN переключается между состояниями "включено" и "выключено", перекрытие между кривыми напряжения сток - исток и тока стока может происходить из-за коммутационного тока, но этот ток не протекает через канал в состоянии мягкого переключения. Преобразователями с мягким переключением являются преобразователи с переключением при нулевом напряжении, преобразователи LLC, обратноходовые преобразователи с активным ключом и т.д.

2 Мягкое переключение применяется в резонансном контуре LC для включения и выключения устройства при нулевом токе стока или напряжении сток - исток, или время переключения напряжения и ток контролируются, чтобы свести к минимуму их пересечение. При мягком переключении уменьшаются коммутационный шум и потери, так как переключающие устройства включаются и выключаются при нулевом или почти нулевом напряжении сток - исток или токе стока.

3 Мягкое переключение имеет дополнительное преимущество перед жестким переключением с точки зрения безопасной рабочей зоны.

3.2 В настоящем стандарте применены следующие сокращения и обозначения:

БЗР - безопасная зона работы (устройства);

ИУ - испытываемое устройство;

РНП - режим непрерывной проводимости;

СИ - средство измерений;

GaN - нитрид галлия;

L - ток дросселя;

LC - резонансный контур;

LLC - тип резонансного преобразователя, используемого (в основном) в преобразователях питания;

R - сопротивление;

4 Общие положения

4.1 Общие положения - по ГОСТ 27264.

4.3 Если контроль параметров, определяющих пригодность ИУ, невозможен в процессе проведения измерений, следует периодически прерывать процесс измерений с целью контроля соответствия данных параметров требованиям ТУ.

4.4 Для надлежащей интерпретации результатов с течением времени при проведении измерений в непрерывном режиме следует фиксировать отметки времени, в течение которого они выполняются после начала процесса.

4.5 Влияние любого подключенного СИ во время измерений должно быть учтено и по возможности сведено к минимуму.

5 Режимы переключения испытываемого устройства на индуктивной и резистивной нагрузках

5.2 Схема, используемая для индуктивно-нагруженного измерения ИУ методом двойного импульса, приведена на рисунке 1. Измерительная схема эквивалентна повышающему преобразователю с выходом, привязанному к источнику входного напряжения. Таким образом, режим работы ИУ аналогичен транзистору с жестким переключением в полумостовых схемах, в которых катушка индуктивности подключена к узлу переключения.

Рисунок 1 - Измерительная схема для индуктивно-нагруженного измерения ИУ методом двойного импульса

5.6 Схема включения резистивной нагрузки приведена на рисунке 2г). Рабочий цикл в режиме переключения с резистивной нагрузкой возможно изменять с большей гибкостью, чем при переключении с индуктивной нагрузкой. Во всех конфигурациях динамическое сопротивление во включенном состоянии возможно измерить с помощью осциллографа.

6 Измерения тока стока и напряжения сток - истока

6.2 Метод двойного импульса заключается в переключении ИУ дважды с фиксацией форм сигналов для переходов включения и выключения. На рисунке 1 приведена схема измерений методом двойного импульса, используемая для переключения индуктивной нагрузки с формами сигналов, приведенными на рисунке 3а).

где freq - рабочая частота ИУ;

min(fr, tf) - минимальное значение времени нарастания или спада сигнала.

Для точного захвата подробных сигналов нарастания и спада СИ должны иметь полосу пропускания, не менее чем в пять раз превышающую эту эквивалентную частоту. Полоса пропускания осциллографа и пробника должна учитываться при определении полосы пропускания СИ.

Частота дискретизации СИ должна быть достаточно высокой, чтобы интервал дискретизации был намного меньше, чем продолжительность кратчайшего подъема или спада перехода, для точной фиксации формы перехода.

7.4 На рисунках 4г) и 5г) приведены осциллограммы и форма сигнала с резистивной нагрузкой. В отличие от метода переключения с индуктивной нагрузкой, в сигнале переключения отсутствует всплеск тока.

_______________

Рисунок 4 - Упрощенные примеры сигналов во временной области для работы ИУ в различных цепях