∆ιατάξεις για δοκιµές χαρακτηρισµού ηµιαγωγικών διακοπτών και θερµιδοµετρικές µετρήσεις

Abstract

Οι µετατροπείς ισχύος αποτελούν βασικό στοιχείο των ηλεκτρονικών συστηµάτων. Κοινό στοι- χείο αυτών είναι η ηµιγέφυρα, η οποία απαρτίζεται από δύο ηµιαγώγιµους διακόπτες συνδεδε- µένους εν σειρά. Η εξέλιξη της τεχνολογίας ωθεί τους σχεδιαστές στην βελτιστοποίηση των µε- τατροπέων, µέσω της εξέλιξης των κυκλωµάτων οδήγησης και των χρησιµοποιούµενων ηµιαγω- γών. Τα τελευταία χρόνια, υποσχόµενη τεχνολογία φαίνεται να είναι οι διακόπτες εκτεταµένου ενεργειακού διακένου (Wide Bandgap Semiconductors). Οι επικρατέστερες συσκευές είναι τα MO- SFET πυριτίου του καρβιδίου (SiC) και τα FET αζωτούχου γαλλίου GaN, οι οποίες εµφανίζουν ση- µαντικά καλύτερες ιδιότητες από τους προκατόχους τους Si MOSFET και IGBT. ΄Ενα από τα προτε- ρήµατά τους, είναι οι µειωµένες απώλειες λειτουργίας σε αυξηµένες διακοπτικές συχνότητες και η αυξηµένη αντοχή φορτίου. Για την εκτίµηση της βελτιστοποίησης που παρέχουν οι νέες τεχνο- λογίες στους µετατροπείς, οι ερευνητές αξιολογούν συνήθως την συµπεριφορά µιας ηµιγέφυρας. Αυτό µπορεί να συµβεί µε διάφορες µεθόδους. Στην συγκεκριµένη εργασία, αντικείµενο µελέτης είναι η σχεδίαση και υλοποίηση µιας θερµιδοµετρικής διάταξης, όπως και µιας τοπολογίας δοκι- µής διπλού παλµού (DPT). Η πρώτη µετράει µέσω της θερµοκρασίας τις παραγώµενες απώλειες του συστήµατος, ενώ η δεύτερη µπορεί να υπολογίσει τις διακοπτικές απώλειες ε νός ηµιαγωγού από την µέτρηση τάσεων και ρεύµατος. Αρχικά, αφού γίνει αναφορά στις ιδιότητες των ηµιαγώγιµων διακοπτών, θα εκτιµηθούν θε- ωρητικά οι απώλειες διαφορετικών συσκευών. Η θεωρητική προσέγγιση θα πραγµατοποιηθεί για διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας ενός µετατροπέα υποβιβασµού τάσης. ΄Επειτα, θα παρου- σιαστεί η θεωρία λειτουργίας των δύο µεθόδων που αναφέρθηκαν (θερµιδοµέτρηση και DPT), µαζί µε τις κυκλωµατικές παραλλαγές που συναντώνται στην βιβλιογραφία. Μετά, θα αναλυθούν οι διατάξεις που σχεδιάστηκαν και υλοποιήθηκαν στο εργαστήριο. Συµπερασµατικά, η θερµιδοµε- τρική διάταξη µε την χρήση MOSFET παρουσιάζει υψηλή ακρίβεια µέτρησης απωλειών στο έυρος κάτω του 1 W, ενώ επιβεβαιώνονται µε µικρό σφάλµα τα αποτελέσµατα της θεωρητικής ανάλυ- σης. Για το κύκλωµα DPT σχεδιάστηκαν διάφορες υλοποιήσεις για την ενσωµάτωση διάφορων διακοπτικών στοιχείων, όµως στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας δεν παρουσιάζονται δοκιµές.