Metodologías de prueba de hardware para convertidores de alta potencia de amplio intervalo de banda prohibida
Autores: Chen, Zibo; Guo, Zhicheng; Chen, Chen; Huang, Alex Q.
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Metodologías de prueba de hardware para convertidores de alta potencia de amplio intervalo de banda prohibida
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Palabras clave
Dispositivos semiconductores de potencia
Metodologías de prueba
Convertidores de alta potencia
Alta tensión
Gestión térmica
Eficiencia
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 33
Citaciones: Sin citaciones
Los dispositivos semiconductores de potencia de banda ancha (WBG) están reemplazando cada vez más a los IGBT de silicio en aplicaciones de electrónica de potencia de alta potencia y alto voltaje. Sin embargo, existe una brecha significativa en la literatura con respecto a metodologías eficientes de prueba para convertidores de alta potencia y alto voltaje con recursos de laboratorio limitados. Este documento aborda esta brecha al presentar metodologías de prueba integrales y centradas en hardware para el arranque de convertidores de potencia de alta potencia y alto voltaje basados en semiconductores de potencia WBG antes de que comiencen las fases de validación de control. Los métodos propuestos permiten una evaluación exhaustiva y validación del hardware del convertidor, incluidas las características de conmutación del dispositivo, la funcionalidad del circuito de control, el rendimiento de gestión térmica, la integridad de aislamiento y la operación sostenida a plena potencia. Utilizamos la prueba de doble pulso (DPT) para caracterizar el rendimiento de conmutación en una configuración de fase de dos niveles, extraer parásitos de circuito y validar componentes magnéticos. La DPT se aplicó además para optimizar los circuitos de control de puerta, validar mecanismos de protección contra sobrecorriente y medir la resistencia de encendido del dispositivo. Además, se introdujo una prueba de múltiples ciclos para evaluar rápidamente el rendimiento en estado estacionario del convertidor y estimar la eficiencia. Reconociendo el papel crítico de la gestión térmica en convertidores de alta potencia, nuestras metodologías se extienden a la extracción experimental de parámetros térmicos clave, como la resistencia térmica de unión a ambiente y la capacitancia térmica, a través de un método de inyección de pérdidas de calor. Se presenta un método de correlación entre las mediciones de sensores de temperatura y la temperatura de unión para mejorar la precisión del monitoreo de temperatura del dispositivo durante las pruebas. Para garantizar la fiabilidad y seguridad, se realizaron pruebas de resistencia dieléctrica y mediciones de descarga parcial tanto a nivel de componente como de convertidor bajo formas de onda sinusoidales convencionales de 60 Hz y de modulación de ancho de pulso de alta frecuencia. Finalmente, destacamos la importancia de probar convertidores bajo condiciones de voltaje, corriente y temperatura completas a través de pruebas de circulación de energía con un consumo mínimo de energía, aplicables tanto a convertidores de alta potencia no aislados como a aislados. Se proporcionan ejemplos prácticos para demostrar la efectividad y aplicabilidad de estas metodologías de prueba de hardware.
Descripción
Los dispositivos semiconductores de potencia de banda ancha (WBG) están reemplazando cada vez más a los IGBT de silicio en aplicaciones de electrónica de potencia de alta potencia y alto voltaje. Sin embargo, existe una brecha significativa en la literatura con respecto a metodologías eficientes de prueba para convertidores de alta potencia y alto voltaje con recursos de laboratorio limitados. Este documento aborda esta brecha al presentar metodologías de prueba integrales y centradas en hardware para el arranque de convertidores de potencia de alta potencia y alto voltaje basados en semiconductores de potencia WBG antes de que comiencen las fases de validación de control. Los métodos propuestos permiten una evaluación exhaustiva y validación del hardware del convertidor, incluidas las características de conmutación del dispositivo, la funcionalidad del circuito de control, el rendimiento de gestión térmica, la integridad de aislamiento y la operación sostenida a plena potencia. Utilizamos la prueba de doble pulso (DPT) para caracterizar el rendimiento de conmutación en una configuración de fase de dos niveles, extraer parásitos de circuito y validar componentes magnéticos. La DPT se aplicó además para optimizar los circuitos de control de puerta, validar mecanismos de protección contra sobrecorriente y medir la resistencia de encendido del dispositivo. Además, se introdujo una prueba de múltiples ciclos para evaluar rápidamente el rendimiento en estado estacionario del convertidor y estimar la eficiencia. Reconociendo el papel crítico de la gestión térmica en convertidores de alta potencia, nuestras metodologías se extienden a la extracción experimental de parámetros térmicos clave, como la resistencia térmica de unión a ambiente y la capacitancia térmica, a través de un método de inyección de pérdidas de calor. Se presenta un método de correlación entre las mediciones de sensores de temperatura y la temperatura de unión para mejorar la precisión del monitoreo de temperatura del dispositivo durante las pruebas. Para garantizar la fiabilidad y seguridad, se realizaron pruebas de resistencia dieléctrica y mediciones de descarga parcial tanto a nivel de componente como de convertidor bajo formas de onda sinusoidales convencionales de 60 Hz y de modulación de ancho de pulso de alta frecuencia. Finalmente, destacamos la importancia de probar convertidores bajo condiciones de voltaje, corriente y temperatura completas a través de pruebas de circulación de energía con un consumo mínimo de energía, aplicables tanto a convertidores de alta potencia no aislados como a aislados. Se proporcionan ejemplos prácticos para demostrar la efectividad y aplicabilidad de estas metodologías de prueba de hardware.