في السنوات الأخيرة ، الطلب على السلطة إلكتروني نظمت بشكل مطرد. في الوقت نفسه ، واجه المصنعون حاجة متزايدة لتخصيص الطاقة أشباه الموصلات أجهزة لتطبيقات محددة. حاليا ، اختيار الحق أشباه الموصلات يمثل تحديًا ، حيث أن الثغرات في معايير التوصيف تعيق إمكانية مقارنة مكونات، خاصة بالنسبة لأشباه موصلات الطاقة السريعة.
يتم تحديد طرق التوصيف والبيئات الخاصة بأشباه الموصلات في سلسلة IEC 60747 [1] وما فوق أشباه الموصلات الأجهزة. ومع ذلك ، فإن تطبيق هذه المعايير محدود عندما يتعلق الأمر بالتقنيات الجديدة مثل SiC و GaN. وحتى بالنسبة للتقنيات الراسخة ، فإن إمكانية تتبع القياسات غير متوفرة.
علاوة على ذلك ، غالبًا ما يكون إعداد محاكاة أثناء عملية الاختيار شاقًا من جانب العميل. أشباه الموصلات يتعين على الشركات المصنعة تحديد أي من أدوات المحاكاة العديدة المتاحة التي يريدون تصميمها. إذا استخدم عملاؤهم أداة مختلفة عن تلك التي اختاروها ، فستتطلب المعلمات جهدًا كبيرًا أو لن يتم النظر في الجهاز.
يعالج مشروع MessLeha الألماني الممول من القطاع العام هذه المشكلة من خلال تحديد ورقة بيانات يمكن قراءتها آليًا لدعم إعداد نماذج المحاكاة. سيطور المشروع أيضًا طريقة وبيئة قياس لقياس أشباه موصلات الطاقة السريعة.
الشكل 1: نظرة عامة على مشروع MessLeha
تطوير ورقة البيانات الرقمية
من أجل تلبية متطلبات محول الطاقة، يجب أن تتفاعل المكونات الفردية على النحو الأمثل في نظام معقد. للقوة أشباه الموصلات، يعتمد التحديد الأولي على قيم ورقة البيانات. وفي مرحلة لاحقة، تتم إضافة معايير أخرى مثل إمكانية التسليم. تقدم بعض الشركات المصنعة لأشباه موصلات الطاقة نماذج لسلاسل أدوات معينة، أو هي بصدد إعداد هذه الخطوة. وهنا يطرح السؤال: هل هذا هو الطريق الصحيح؟ هل يجب على الشركة المصنعة للمكون توفير نموذج لسلسلة أدوات معينة فقط؟ هل هناك نماذج أخرى يتعين إنشاؤها والحفاظ عليها على المدى المتوسط؟ ماذا عن العملاء/المستخدمين الذين لديهم حل مختلف قيد الاستخدام؟ ماذا عن الوصول إلى الأسواق لأدوات المحاكاة الجديدة إذا عرضت الشركات المصنعة نماذج لواحدة أو ربما لسلسلتين محددتين من الأدوات؟ فهل هذا ربما يؤدي إلى إبطاء الابتكار التقني؟
لا مصنعي ومطوري ومصنعي أشباه الموصلات للطاقة إلكتروني يمكن أن يكون للأنظمة أو الشركات المصنعة لأدوات المحاكاة مصلحة في هذا السيناريو. إنه يخلق التبعيات ويولد جهدًا غير ضروري. قد يكون إدخال ورقة بيانات يمكن قراءتها آليًا مفيدًا في هذه المرحلة. يقوم مصنعو أشباه موصلات الطاقة بتخزين القيم المميزة كما هو الحال في ورقة بيانات PDF الحالية. سيطور مصنعو أدوات المحاكاة حلاً سريعًا لاستيراد نماذج المكونات وتحديد معالمها تلقائيًا ، إذا كان لديهم مثل هذه المجموعة المنسقة من البيانات. بعد تقديم ورقة البيانات المقروءة آليًا ، سيتمكن المطورون من تقييم سلوك مكون معين بسرعة كبيرة. اعتمادًا على رغبة الشركات المصنعة لأشباه موصلات الطاقة في توفير بيانات أكثر من المعتاد في ورقة بيانات PDF الحالية ، سيكون من الممكن تصور توفير بيانات موثوقية أو بيانات محدثة يوميًا حول إمكانية التسليم. سيسمح ذلك لمصممي إلكترونيات الطاقة بزيادة تبسيط عملية التطوير. يصبح التفاعل الأسرع والأكثر كثافة بين بائعي الأجهزة وعملائهم أمرًا ممكنًا.
من المحتمل جدًا أن يكون لأصحاب المصلحة المذكورين أعلاه مصلحة راسخة في محتوى ورقة البيانات المقروءة آليًا. الهدف المعلن للمشروع هو استكشاف هذا الاهتمام وجمع مساهمتهما معًا في معيار متفق عليه.
الشكل 2: اليوم (على اليسار) ، العملاء الذين لديهم سلاسل أدوات مناسبة فقط هم من يمكنهم استخدام النماذج المتوفرة ، بينما الهدف من مجموعات البيانات المستقبلية (على اليمين) هو توفير واجهة محددة مناسبة لجميع سلاسل الأدوات.
تطوير إعداد التوصيف المعياري
يعد اختبار النبض المزدوج (DPT) طريقة مهمة لتوصيف ومقارنة جهاز الطاقة. عادة ما يتم التوصيف في الشركة المصنعة لجهاز الطاقة لإنشاء أوراق البيانات ونماذج المحاكاة. يتم إجراء تقييم الجهاز المقارن بواسطة عملاء أجهزة الطاقة الذين يعدون قرارات إستراتيجية بين الجهاز وتقنيات التغليف. في كلتا الحالتين ، يجب اختبار الأجهزة في إعداد توصيف يقلل من التأثير الخارجي على أداء الجهاز قدر الإمكان لتحقيق نتائج متسقة وقابلة للمقارنة. مع ظهور أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة العريضة (WBG) الجديدة مثل SiC الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة، مستشعر الارتباط والتيار ، مما يقلل من السعات الطفيلية ، وسائق سريع وقوي قريب من الجهاز ، وعرض نطاق كافٍ لـ الجهد االكهربى القياس وكذلك للقياس الحالي. بالنسبة للتطبيقات منخفضة الطاقة ، من الشائع جدًا وضع إعداد DPT الكامل بما في ذلك DUT على واحد ثنائي الفينيل متعدد الكلور. ومع ذلك، في قوة أعلى، وبالنسبة لمجموعة منتجات أكبر كما هو شائع في السلطة وحدة الأعمال التجارية، وهذا النهج يميل إلى أن يصبح مرهقا. ومن ثم، فإن النهج المعياري الذي يفصل الإعداد الكامل إلى جزأين رئيسيين مفيد. تم تصميم لوحة الجهاز، التي تحمل فقط الجهاز نفسه وبرنامج التشغيل الاختياري، بشكل فردي لتناسب الوحدة المحددة بشكل أفضل. كنظير، هناك لوحة وصلة DC تحتوي على وصلة DC منخفضة الحث بالإضافة إلى قياس تيار منخفض الحث. بالطبع، يجب توصيل هاتين اللوحتين بواسطة اتصال موحد منخفض الحث. يوضح الشكل 3 مقترحًا لمثل هذه اللوحة التي تقدم اتصالاً بسيطًا منخفض الحث على اليسار ووصلة DC مع العديد من أجهزة استشعار التيار الاختيارية على اليمين. تم تصميم هذه اللوحة لإيواء محول تيار نبضي أو ترتيب تحويل مستو أو ملف Rogowski.
الشكل 3: لوحة DC-link بواجهة منخفضة الحث [البريد الإلكتروني محمي]
مقارنة بين مبادئ القياس
نظرًا لأوقات التبديل السريعة لأشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة العريضة ، مثل SiC و GaN ، فإن متطلبات المعدات الخاصة بقياسات فقدان التبديل تتزايد بسرعة مقارنة بأجهزة السيليكون.
لذلك تعمل جامعة شتوتغارت مع معاهدها لإلكترونيات الطاقة والمحركات الكهربائية (ILEA) وأنظمة أشباه الموصلات القوية (ILH) على تحسين وتوصيف إعدادات القياس لتحديد فقدان تبديل فجوة الحزمة الواسعة. لهذا الغرض ، تم تحسين اختبار النبض المزدوج المتطور الحالي بواسطة مستشعرات تيار جديدة وتوصيف عالي الدقة للتيار و الجهد االكهربى تحقيقات فيما يتعلق بسلوك التردد ، أي عرض النطاق الترددي. علاوة على ذلك ، سيؤخذ في الاعتبار تأثير الطفيليات في الإعداد ، مثل الحث الضال. يتم التحقق من النتائج بمساعدة قياسات حرارية عالية الدقة ، باستخدام مرحلة التسخين للحصول على نتائج فقدان التبديل السريع في عدة نقاط تشغيل.
بالتوازي مع ذلك ، يقوم المعهد الوطني للقياس في ألمانيا (PTB) بتطوير طريقة لقياس خسائر التبديل باستخدام نظام قياس أخذ العينات. بهذه الطريقة ، فإن الجهد االكهربى وسيتم تسجيل التيار بدقة أثناء وقت التبديل. لهذا الغرض ، يجب أولاً تمييز مقسم الجهد والتحويلة. التحدي الآخر هو تصحيح الوقت بين الإشارتين المسجلتين. يضمن هذان العاملان دقة خسائر التبديل المحسوبة.
الشكل 4: وحدة الطاقة مثل DUT والأوجه المختلفة لتبديل توصيف الخسارة في هذا المشروع (وسط). مستشعر تيار جديد يعتمد على مبدأ HOKA لقياس التيار الدقيق [2] (أعلى اليسار). إعداد القياس المسعر لأشباه الموصلات ذات القدرة المنفصلة ذات فجوة الحزمة الواسعة [3] (أعلى اليمين). توصيف عرض النطاق الترددي للتحويل باستخدام مولد نبض خط النقل (PTB) (أسفل اليسار). النمذجة الدقيقة وحساب الخطأ للقياسات المسعرية والكهربائية لحساب مستوى الثقة [4] (أسفل اليسار).
بعد مرحلة تطوير الطرق الثلاث ، سيتم إجراء مقارنة بين جميع الطرق. كما سيتم تحديد الارتياب في القياس للأنظمة.
التوحيد القياسي في IEC - وكيفية المشاركة
يهدف مشروع "MessLeha" إلى تطوير بيئة قياس موحدة وورقة بيانات يمكن قراءتها آليًا لدعم التطوير الأكثر سلاسة لأنظمة الطاقة الإلكترونية. لا يمكن تحقيق ذلك إلا إذا تم تحديث الحل على نطاق واسع. في نهاية المشروع في ديسمبر 2021، سيتم اقتراح مسودتين على DKE، اللجنة الألمانية للكهرباء، إلكتروني وتكنولوجيا المعلومات في DIN وVDE. وبعد الموافقة عليها، سيتم بعد ذلك اقتراح هذه المسودات على اللجنة الفنية TC 47 "أجهزة أشباه الموصلات" التابعة للجنة الكهروتقنية الدولية (IEC).
سيعالج اقتراح تعديل سلسلة IEC 60747 النقص الحالي في إمكانية تتبع القياسات. علاوة على ذلك ، سيتأكد من أن اختبار النبض المزدوج سيكون قابلاً للتطبيق على أشباه الموصلات SiC و GaN الجديدة أيضًا. سيحدد الاقتراح الثاني ورقة البيانات المقروءة آليًا.
في 4 مارس 2021 ، سيعقد مشروع MessLeha ورشة عمل عبر الإنترنت لجمع التعليقات من أصحاب المصلحة. خلال جلستين منفصلتين مخصصتين ، سيناقش شركاء المشروع مع المشاركين متطلباتهم لتحديد معايير نموذج الجهاز والمحاكاة بالإضافة إلى بيئة القياس.
سيتم تضمين المدخلات التي تم جمعها خلال هذه الجلسات في العمل الجاري ومقترحات التوحيد الناتجة. إذا كنت مهتمًا بالمشاركة ، يمكنك معرفة المزيد عن محتوى ورشة العمل والتسجيل على الموقع الإلكتروني المتوفر في نهاية هذه المقالة.
وصلة الموقع
المراجع:
[1] المعايير التالية ذات الصلة لسلسلة IEC 60747: أجهزة أشباه الموصلات IEC 60747-8 - الأجهزة المنفصلة - الجزء 8: ترانزستورات التأثير الميداني أجهزة أشباه الموصلات IEC 60747-9 - الجزء 9: الأجهزة المنفصلة - الترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة (IGBTق) IEC 60747-15 أجهزة أشباه الموصلات - الأجهزة المنفصلة - الجزء 15: أجهزة أشباه موصلات الطاقة المعزولة
[2] P. Ziegler، N. Tröster، D. Schmidt، J. Ruthardt، M. Fischer and J. Roth-Stielow، “Wide Bandwidth Current Sensor for Commution Current Current Measurement in Fast Switching Power Electronics” in EPE'20 ECCE Europe : المؤتمر الأوروبي الثاني والعشرون حول إلكترونيات الطاقة وتطبيقاتها ، ليون ، 22
[3] J. Weimer and I. Kallfass، "Soft-Switching Losses in GaN and SiC Power Transistors Based on New Calorimetric Measurement،" 2019st 31st International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD)، Shanghai، China، 2019، pp 455-458 ، دوى: 10.1109 / ISPSD.2019.8757650.
[4] D. Koch ، S. Araujo و I. Kallfass ، "تحليل دقة قياس الخسارة المسعرية للقياس المعياري للترانزستورات ذات فجوة الحزمة العريضة في إطار عملية التبديل الناعم" ، ورشة عمل IEEE 2019 حول الأجهزة والتطبيقات ذات فجوة الحزمة العريضة في آسيا (WiPDA Asia ) ، تايبيه ، تايوان ، 2019 ، الصفحات 1-6 ، دوى: 10.1109 / WiPDAAsia.2019.8760332.