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[導(dǎo)讀]  許多電子設(shè)計(jì)應(yīng)用要求的激勵(lì)源幅度超出了當(dāng)前市場上大多數(shù)任意波形/函數(shù)發(fā)生器的能力,包括電源半導(dǎo)體應(yīng)用,如汽車電子系統(tǒng)和開關(guān)電源中廣泛使用的MOSFETs和IGBTs,氣相色譜和質(zhì)譜檢測器使用的放大器,以及科學(xué)和

  許多電子設(shè)計(jì)應(yīng)用要求的激勵(lì)源幅度超出了當(dāng)前市場上大多數(shù)任意波形/函數(shù)發(fā)生器的能力,包括電源半導(dǎo)體應(yīng)用,如汽車電子系統(tǒng)和開關(guān)電源中廣泛使用的MOSFETs和IGBTs,氣相色譜和質(zhì)譜檢測器使用的放大器,以及科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中使用的其它設(shè)備。

  一般來說,任意波形/函數(shù)發(fā)生器為50歐姆負(fù)荷提供最高10 Vpp的幅度,為開路提供最高20 Vpp的幅度。上述設(shè)備通常在兩倍的輸入范圍上工作。直到現(xiàn)在,在整個(gè)工作范圍上測試這些設(shè)備通常要求使用一臺(tái)放大器,來提升標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器提供的信號(hào)。這種方法提高了測試設(shè)置的復(fù)雜性,給放大器輸出上的有效幅度帶來了不確定性,增加了設(shè)備成本。

  本文描述了使用外部放大器生成高幅度信號(hào)的傳統(tǒng)方法,然后討論了典型應(yīng)用,說明了使用集成高幅度階段的新型任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器的各種優(yōu)勢。

  傳統(tǒng)方法

                       

                          圖1 使用外部放大器時(shí)的測量設(shè)置

  圖1是標(biāo)準(zhǔn)任意波形/函數(shù)發(fā)生器的典型測量設(shè)置,它增加了一臺(tái)放大器,把幅度提升到要求的水平。發(fā)生器輸出連接到放大器輸入上。某些放大器允許配置輸入和/或輸出,以與不同的源阻抗和/或負(fù)荷阻抗相匹配。一般來說,提升幅度的放大器沒有顯示器,因此必須使用示波器或其它測量設(shè)備監(jiān)測有效輸出幅度。這進(jìn)一步提高了測量設(shè)置的復(fù)雜性,要求額外的時(shí)間,特別是在測試前和測試期間需要調(diào)節(jié)和檢驗(yàn)幅度水平時(shí)。

  測量電源MOSFET上的開關(guān)時(shí)間

  電源MOSFET用于各種汽車運(yùn)動(dòng)控制、電源管理和氣候控制應(yīng)用中。它們驅(qū)動(dòng)小型馬達(dá)、螺線管、防抱死剎車、電動(dòng)轉(zhuǎn)向和電子穩(wěn)定編程系統(tǒng)及H.I.D燈使用的點(diǎn)火電路。它們還是集成式起動(dòng)器/交流發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵組件。
                        

  圖2 一個(gè)DC馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器中四個(gè)MOSFET的H電橋配置

                     
                    圖3 MOSFET示意圖和等效電路。

  圖2顯示了驅(qū)動(dòng)DC馬達(dá)的H電橋拓?fù)渲惺褂玫腗OSFET實(shí)例。這一配置提供了前向、后向和制動(dòng)功能。

  在作為開關(guān)使用時(shí),MOSFET的基本功能是通過門信號(hào)控制漏電流。在這些應(yīng)用中,開關(guān)時(shí)間是電路設(shè)計(jì)人員選擇元件時(shí)考慮的一個(gè)重要指標(biāo)。MOSFET的開關(guān)性能取決于通過內(nèi)部電容建立電壓變化所需的時(shí)間(參見圖3)。注意,門源電壓必須先把MOSFET的輸入電容變成特性門限電平,然后漏電流才能起動(dòng)。[!--empirenews.page--]

         

                    圖4 測量電源MOSFET開關(guān)時(shí)間的設(shè)置。

                         

                  圖5 AFG3011直接在顯示器上顯示幅度。

                          

                       圖6 測量電源MOSFET的開關(guān)時(shí)間。

  與時(shí)間相關(guān)需要關(guān)注的參數(shù)是起動(dòng)時(shí)延和關(guān)閉時(shí)延及上升時(shí)間和下降時(shí)間。為測量這些參數(shù),應(yīng)使用來自信號(hào)發(fā)生器輸入的窄脈沖激勵(lì)MOSFET的門,然后使用示波器測量門電壓和漏電壓(參見圖4)。

  通過使用集成高幅度輸出階段的任意波形/函數(shù)發(fā)生器,而不是外部放大器,用戶可以直接查看MOSFET輸入電路上的有效信號(hào)幅度,而不需使用示波器測量幅度。

  現(xiàn)在,通過示波器屏幕顯示的曲線中的光標(biāo)測量,可以方便地確定起動(dòng)時(shí)延。起動(dòng)時(shí)延是從門源電壓達(dá)到最后值10%時(shí)到漏源電壓下降到初始值90%時(shí)所需的時(shí)間。類似的,關(guān)閉時(shí)延是從門源電壓下降到前一水平90%時(shí)到漏源電壓上升到供電電壓10%時(shí)所需的時(shí)間。為測量漏極信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間,現(xiàn)代示波器提供了方便的自動(dòng)化測量功能。

                         

                            圖7 IGBT電路符號(hào)和等效電路。

             

                圖8 IGBT門驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)測試電路。[!--empirenews.page--]

  分析IGBT的開關(guān)波形

  近幾年來,由于高開關(guān)速度、高電流功能、大阻塞電壓和簡單的門驅(qū)動(dòng)特點(diǎn),同時(shí)由于較低的傳導(dǎo)損耗及較低的狀態(tài)電壓下跌水平,絕緣門雙極晶體管(IGBT)在工業(yè)應(yīng)用和汽車應(yīng)用中正日益替代MOSFET。

  IGBT的工業(yè)應(yīng)用包括牽引、變速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、不間斷電源(UPS)、感應(yīng)加熱、焊接及電信和服務(wù)器系統(tǒng)中的高頻開關(guān)式電源。在汽車行業(yè)中,點(diǎn)火線圈驅(qū)動(dòng)電路、馬達(dá)控制器和安全相關(guān)系統(tǒng)對(duì)IGBT的需求非常龐大。

  IGBT是雙極晶體管和MOSFET的交叉。在輸出開關(guān)和傳導(dǎo)特點(diǎn)方面,IGBT與雙極晶體管類似。但是,雙極晶體管是流控式的,IGBT與MOSFET則是壓控式的。為保證完全飽和及限制短路電流,建議門驅(qū)動(dòng)電壓為+15V。

  與MOSFET一樣,IGBT在門、發(fā)射器和集電極之間有電容。在門端子和發(fā)射器端子之間應(yīng)用電壓時(shí),會(huì)以指數(shù)方式通過門電阻器RG對(duì)輸入電容充電,直到達(dá)到IGBT的特性門限電壓,確定集電極到發(fā)射器傳導(dǎo)。同樣,輸入門到發(fā)射器電容必須被放電到某個(gè)高原穩(wěn)定電壓,然后才能中斷集電極到發(fā)射器傳導(dǎo),關(guān)閉IGBT。

  門電阻器的尺寸對(duì)IGBT的起動(dòng)特點(diǎn)和關(guān)閉特點(diǎn)有著明顯的影響。門電阻器越小,IGBT門到發(fā)射器電容充電和放電的速度越快,因此其開關(guān)時(shí)間短,開關(guān)損耗小。但是,由于IGBT的門到發(fā)射器電容和引線的寄生電感,門電阻器值小也會(huì)導(dǎo)致振蕩。為降低關(guān)閉損耗,改善IGBT對(duì)通過集電極到發(fā)射器電壓變化速率注入的噪聲的免疫力(這種噪聲對(duì)電感負(fù)荷可能會(huì)具有實(shí)質(zhì)性影響),建議門驅(qū)動(dòng)電路包括實(shí)質(zhì)性的開關(guān)偏置。

  IGBT的最佳性能隨應(yīng)用變化,必須相應(yīng)地設(shè)計(jì)門驅(qū)動(dòng)電路。在硬開關(guān)應(yīng)用中,如馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器或不間斷電源,必須選擇門驅(qū)動(dòng)參數(shù),以便開關(guān)波形不會(huì)超過IGBT的安全工作區(qū)。這可能意味著犧牲開關(guān)速度,要以開關(guān)損耗為代價(jià)。在軟開關(guān)應(yīng)用中,開關(guān)波形完全落在安全工作區(qū)內(nèi),可以把門驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)成短開關(guān)時(shí)間及較低的開關(guān)損耗。

                         

                            圖9. IGBT的開關(guān)波形。[!--empirenews.page--]

  為優(yōu)化IGBT門驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)工程師必須了解設(shè)備在實(shí)際負(fù)荷條件下的開關(guān)特點(diǎn)。為分析這些開關(guān)特點(diǎn),可以使用一系列單個(gè)脈沖激勵(lì)I(lǐng)GBT的門,同時(shí)使用示波器測量門到發(fā)射器電壓、集電極到發(fā)射器電壓和集電器電流。由于能夠生成高幅度脈沖,AFG3011任意波形/函數(shù)發(fā)生器特別適合完成這一任務(wù)。由于IGBT的集電極到發(fā)射器電壓對(duì)電感負(fù)荷的動(dòng)態(tài)范圍非常高,因此要求使用高壓差分探頭進(jìn)行測量??梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)無源探頭測量門到發(fā)射器電壓,使用非插入型電流探頭測量集電極電流。
  圖9顯示了帶電感負(fù)荷的IGBT的典型開關(guān)波形。從這些波形中,設(shè)計(jì)工程師可以確定開關(guān)能量、狀態(tài)損耗及IGBT是否在安全工作區(qū)域內(nèi)工作。然后根據(jù)測量數(shù)據(jù),工程師可以確定選定的脈沖重復(fù)頻率、幅度和邊沿跳變是否足以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。如果需要調(diào)節(jié),可以通過AFG3011前面板上的快捷鍵直接進(jìn)入所有脈沖參數(shù)。然后可以通過旋轉(zhuǎn)旋鈕或數(shù)字鍵改變參數(shù),而不會(huì)有定時(shí)毛刺,也不必中斷測試。

  在測量過程中,必須考慮各種因素,如傳播時(shí)延(偏移)、偏置和探頭固有的噪聲。工程師將發(fā)現(xiàn),使用的示波器最好帶有軟件工具,能夠處理探頭相關(guān)問題,自動(dòng)計(jì)算開關(guān)功率損耗,確定IGBT的安全工作區(qū)域。

  信號(hào)幅度和負(fù)荷阻抗

  信號(hào)發(fā)生器提供的輸出電壓取決于連接的負(fù)荷或被測設(shè)備的阻抗,其原因在于發(fā)生器的輸出阻抗。例如,圖10顯示了AFG3011的等效輸出電路。根據(jù)幅度設(shè)置,儀器提供了某個(gè)電流I。如果50歐姆的負(fù)荷ZDUT連接到發(fā)生器輸出上,一半的I流經(jīng)發(fā)生器的輸出阻抗ZOUT,另一半流經(jīng)ZDUT。如果ZDUT的阻抗明顯大于ZOUT,那么幾乎所有I都流經(jīng)ZOUT,導(dǎo)致輸出電壓幾乎是50歐姆負(fù)荷的兩倍。

                       

                     圖10 AFG3011的等效輸出電路。

  任意波形/函數(shù)發(fā)生器的產(chǎn)品技術(shù)資料一般會(huì)規(guī)定50歐姆負(fù)荷和高阻抗負(fù)荷的最大輸出幅度。例如,AFG3011規(guī)定的輸出幅度對(duì)50歐姆負(fù)荷是20 Vpp,對(duì)開路是40 Vpp。對(duì)其它負(fù)荷阻抗值,可以使用下述公式計(jì)算最大輸出電壓:

                      

  在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置中,任意波形/函數(shù)發(fā)生器通常配置成50Ω的負(fù)荷阻抗。對(duì)其它負(fù)荷阻抗,阻抗值可以配置到儀器中,可以顯示正確的幅度和偏置值。在AFG3000系列中,負(fù)荷阻抗設(shè)置在Output菜單中進(jìn)行,按所需的功能鍵如“Sine”后可以進(jìn)入菜單。
                             

                    圖11 AFG3000系列上的負(fù)荷阻抗選擇。

  請(qǐng)注意,負(fù)荷阻抗設(shè)置既不會(huì)改變發(fā)生器的輸出阻抗,也不會(huì)改變負(fù)荷阻抗本身。它只會(huì)影響幅度和偏置顯示,保證儀器顯示連接的負(fù)荷中正確的有效幅度值。

  結(jié)語

  現(xiàn)代任意波形/函數(shù)發(fā)生器如AFG3011可以為50歐姆負(fù)荷生成高達(dá)20 Vpp的信號(hào)幅度,而不需使用外部提升放大器。這簡化了許多應(yīng)用中的測試,降低了設(shè)備成本。它還節(jié)約了測量時(shí)間,因?yàn)榘l(fā)生器直接在顯示屏上顯示有效幅度,而不必使用伏特計(jì)進(jìn)行單獨(dú)測量。

  除本指南中描述的測試應(yīng)用外,還可以使用高幅度任意波形/函數(shù)發(fā)生器測試顯示器、MEMS技術(shù)、螺線管及質(zhì)譜儀和相關(guān)科學(xué)應(yīng)用。

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