In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach Strom elektronisch Systeme ist stetig gewachsen. Gleichzeitig sehen sich die Hersteller einem zunehmenden Bedarf ausgesetzt, die Leistung anzupassen Halbleiter Geräte für bestimmte Anwendungen. Derzeit wählen Sie die richtige Halbleiter ist eine Herausforderung, da Lücken in den Charakterisierungsstandards die Vergleichbarkeit von behindern Komponenten, insbesondere für schnelle Leistungshalbleiter.
Charakterisierungsmethoden und -umgebungen für Halbleiter sind in der Serie IEC 60747 [1] on definiert Halbleiter Geräte. Die Anwendung dieser Standards ist jedoch begrenzt, wenn es um neue Technologien wie SiC und GaN geht. Und selbst bei den etablierten Technologien fehlt die Rückverfolgbarkeit von Messungen.
Darüber hinaus ist das Einrichten einer Simulation während des Auswahlprozesses auf Kundenseite oft mühsam. Halbleiter Hersteller müssen sich entscheiden, welches der vielen verfügbaren Simulationswerkzeuge sie modellieren möchten. Wenn ihre Kunden ein anderes Tool als das von ihnen ausgewählte verwenden, erfordert die Parametrisierung einen erheblichen Aufwand, oder das Gerät wird nicht berücksichtigt.
Das deutsche, öffentlich finanzierte Projekt MessLeha behebt dieses Problem, indem es ein maschinenlesbares Datenblatt definiert, das die Einrichtung von Simulationsmodellen unterstützt. Das Projekt wird auch eine Messmethode und -umgebung für die Messung von Halbleitern mit schneller Leistung entwickeln.
Abbildung 1: Überblick über das Projekt MessLeha
Entwicklung eines digitalen Datenblattes
Um die Anforderungen an einen Stromrichter zu erfüllen, müssen einzelne Komponenten in einem komplexen System optimal zusammenspielen. Für die Macht Halbleiter, eine erste Auswahl basiert auf Datenblattwerten. Zu einem späteren Zeitpunkt kommen weitere Kriterien wie die Zustellbarkeit hinzu. Einige Hersteller von Leistungshalbleitern bieten Modelle für bestimmte Toolchains an oder bereiten diesen Schritt gerade vor. An dieser Stelle stellt sich die Frage, ob das der richtige Weg ist. Sollte ein Hersteller einer Komponente ein Modell nur für eine bestimmte Toolchain liefern? Müssen mittelfristig weitere Modelle geschaffen und gepflegt werden? Was ist mit Kunden/Benutzern, die eine andere Lösung im Einsatz haben? Wie sieht es mit dem Marktzugang für neuartige Simulationstools aus, wenn Hersteller Modelle für eine oder vielleicht zwei spezifische Toolchains anbieten? Verlangsamt dies vielleicht sogar die technische Innovation?
Weder Halbleiterhersteller, Entwickler noch Hersteller von Strom elektronisch Systeme oder Hersteller von Simulationswerkzeugen können an diesem Szenario interessiert sein. Es schafft Abhängigkeiten und erzeugt unnötigen Aufwand. Die Einführung eines maschinenlesbaren Datenblattes könnte an dieser Stelle hilfreich sein. Die Hersteller von Leistungshalbleitern würden charakteristische Werte wie im aktuellen PDF-Datenblatt speichern. Hersteller von Simulationswerkzeugen würden sehr schnell eine Lösung für den Import und die automatische Parametrisierung von Komponentenmodellen entwickeln, wenn sie einen solchen koordinierten Datensatz hätten. Nach der Einführung des maschinenlesbaren Datenblattes könnten Entwickler das Verhalten einer bestimmten Komponente sehr schnell bewerten. Abhängig von der Bereitschaft der Hersteller von Leistungshalbleitern, mehr Daten als üblich in einem aktuellen PDF-Datenblatt bereitzustellen, wäre es sogar denkbar, Zuverlässigkeitsdaten oder täglich aktualisierte Aussagen zur Lieferbarkeit bereitzustellen. Dies würde es Entwicklern von Leistungselektronik ermöglichen, den Entwicklungsprozess weiter zu rationalisieren. Eine schnellere und intensivere Interaktion zwischen Geräteherstellern und ihren Kunden wird denkbar.
Es ist sehr wahrscheinlich, dass die oben genannten Stakeholder ein berechtigtes Interesse am Inhalt eines maschinenlesbaren Datenblattes haben. Das erklärte Ziel des Projekts ist es, dieses Interesse zu erkunden und ihren Beitrag in einem vereinbarten Standard zusammenzuführen.
Abbildung 2: Heute (links) können nur Kunden mit geeigneten Toolchains die bereitgestellten Modelle verwenden, während das Ziel zukünftiger Datensätze (rechts) darin besteht, eine definierte Schnittstelle bereitzustellen, die für alle Toolchains geeignet ist.
Entwicklung eines modularen Charakterisierungs-Setups
Double Pulse Testing (DPT) ist eine wichtige Methode zur Charakterisierung und zum Vergleich von Leistungsgeräten. Die Charakterisierung erfolgt normalerweise beim Hersteller des Leistungsgeräts, um Datenblätter und Simulationsmodelle zu erstellen. Die vergleichende Gerätebewertung wird von Kunden von Stromversorgungsgeräten durchgeführt, die strategische Entscheidungen zwischen Geräte- und Verpackungstechnologien vorbereiten. In beiden Fällen müssen die Geräte in einem Charakterisierungssetup getestet werden, das die externen Auswirkungen auf die Geräteleistung so weit wie möglich minimiert, um konsistente und vergleichbare Ergebnisse zu erzielen. Mit dem Aufkommen neuer WBG-Halbleiter (Wide Bandgap) wie SiC Mosfets, Link- und Stromsensor, reduziert parasitäre Kapazitäten, einen schnellen und starken Treiber in der Nähe des Geräts und eine ausreichende Bandbreite für Spannung Messung sowie zur Strommessung. Bei Anwendungen mit geringem Stromverbrauch ist es durchaus üblich, das gesamte DPT-Setup einschließlich des Prüflings auf einem einzigen zu platzieren pcb. Allerdings bei höherer Leistung und für ein größeres Produktportfolio als üblich in der Leistungsbranche Modulen Im Geschäftsleben wird dieser Ansatz tendenziell umständlich. Daher ist ein modularer Ansatz vorteilhaft, der den gesamten Aufbau in zwei Hauptteile unterteilt. Eine Geräteplatine, die nur das Gerät selbst und einen optionalen Treiber enthält, wird individuell für die beste Passform des jeweiligen Moduls entworfen. Als Gegenstück steht eine Zwischenkreisplatine zur Verfügung, die einen niederinduktiven Zwischenkreis sowie eine niederinduktive Strommessung enthält. Natürlich müssen diese beiden Platinen durch eine einheitliche Verbindung mit niedriger Induktivität verbunden werden. Abb. 3 zeigt einen Vorschlag für eine solche Platine, die links einen einfachen niederinduktiven Anschluss und rechts einen Zwischenkreis mit mehreren optionalen Stromsensoren bietet. Auf dieser Platine kann entweder ein Impulsstromtransformator, eine planare Shunt-Anordnung oder eine Rogowski-Spule untergebracht werden.
Abbildung 3: Zwischenkreisplatine mit Schnittstelle mit niedriger Induktivität [E-Mail geschützt]
Vergleich der Messprinzipien
Aufgrund der schnellen Schaltzeiten von Breitbandlückenhalbleitern wie SiC und GaN steigen die Anforderungen an die Geräte für die Schaltverlustmessungen im Vergleich zu Siliziumbauelementen rapide an.
Die Universität Stuttgart mit ihren Instituten für Leistungselektronik und elektrische Antriebe (ILEA) und Robust Power Semiconductor Systems (ILH) arbeitet daher an der Verbesserung und Charakterisierung von Messaufbauten für die Bestimmung von Schaltverlusten mit großer Bandlücke. Zu diesem Zweck wurde der bestehende hochmoderne Doppelimpulstest durch neue Stromsensoren und eine hochgenaue Charakterisierung von Strom und Strom verbessert Spannung Sonden hinsichtlich des Frequenzverhaltens, dh der Bandbreite. Darüber hinaus wird der Einfluss der Parasiten im Aufbau wie die Streuinduktivität berücksichtigt. Die Ergebnisse werden mit Hilfe hochgenauer kalorimetrischer Messungen überprüft, wobei die Aufheizphase für schnelle Schaltverlustergebnisse an mehreren Betriebspunkten verwendet wird.
Parallel dazu entwickelt das Nationale Metrologische Institut (PTB) eine Methode zur Messung der Schaltverluste mit einem Stichprobenmesssystem. Mit dieser Methode kann die Spannung und der Strom wird genau während der Schaltzeit aufgezeichnet. Zu diesem Zweck müssen zunächst der Spannungsteiler und der Shunt charakterisiert werden. Eine weitere Herausforderung ist die Zeitkorrektur zwischen den beiden aufgezeichneten Signalen. Diese beiden Faktoren gewährleisten die Genauigkeit der berechneten Schaltverluste.
Abbildung 4: Leistungsmodul als Prüfling und die verschiedenen Facetten der Schaltverlustcharakterisierung in diesem Projekt (Mitte). Neuartiger Stromsensor nach dem HOKA-Prinzip zur präzisen Strommessung [2] (oben links). Kalorimetrischer Messaufbau für diskrete Leistungshalbleiter mit großer Bandlücke [3] (oben rechts). Bandbreitencharakterisierung für einen Shunt mit einem Übertragungsleitungsimpulsgenerator (PTB) (unten links). Präzise Modellierung und Fehlerberechnung von kalorimetrischen und elektrischen Messungen zur Berechnung des Vertrauensniveaus [4] (unten links).
Nach der Entwicklungsphase der drei Methoden wird ein Vergleich zwischen allen Methoden durchgeführt. Die Messunsicherheit der Systeme wird ebenfalls bestimmt.
Standardisierung in IEC - und wie man teilnimmt
Das Projekt MessLeha zielt darauf ab, eine standardisierte Messumgebung und maschinenlesbare Datenblätter zu entwickeln, um eine reibungslosere Entwicklung leistungselektronischer Systeme zu unterstützen. Dies kann nur erreicht werden, wenn die Lösung umfassend aktualisiert wird. Zum Projektende im Dezember 2021 werden der DKE, der Deutschen Kommission Elektrotechnik, zwei Entwürfe vorgelegt. elektronisch & Informationstechnik in DIN und VDE. Nach der Genehmigung werden diese Entwürfe dann dem Technischen Komitee TC 47 „Halbleitergeräte“ der Internationalen Elektrotechnischen Kommission IEC vorgeschlagen.
Ein Vorschlag für eine Änderung der IEC 60747-Reihe wird den derzeitigen Mangel an Rückverfolgbarkeit von Messungen beheben. Darüber hinaus wird sichergestellt, dass der Doppelimpulstest auch auf die neuen SiC- und GaN-Halbleiter anwendbar ist. Der zweite Vorschlag definiert das maschinenlesbare Datenblatt.
Am 4. März 2021 wird das Projekt MessLeha einen Online-Workshop abhalten, um Feedback von Stakeholdern zu sammeln. In zwei speziellen Breakout-Sessions diskutieren die Projektpartner mit den Teilnehmern ihre Anforderungen an die Parametrisierung und Simulation von Gerätemodellen sowie an die Messumgebung.
Die während dieser Sitzungen gesammelten Beiträge werden in die laufenden Arbeiten und die daraus resultierenden Standardisierungsvorschläge einbezogen. Wenn Sie an einer Teilnahme interessiert sind, können Sie auf der Website am Ende dieses Artikels mehr über den Inhalt des Workshops und die Registrierung erfahren.
Website Link
References:
[1] Relevant sind die folgenden Normen der Reihe IEC 60747: IEC 60747-8 Halbleiterbauelemente – Diskrete Bauelemente – Teil 8: Feldeffekttransistoren IEC 60747-9 Halbleiterbauelemente – Teil 9: Diskrete Bauelemente – Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) IEC 60747-15 Halbleiterbauelemente – Diskrete Bauelemente – Teil 15: Isolierte Leistungshalbleiterbauelemente
[2] P. Ziegler, N. Tröster, D. Schmidt, J. Ruthardt, M. Fischer und J. Roth-Stielow, „Stromsensor mit breiter Bandbreite zur Messung des Kommutierungsstroms in der schnell schaltenden Leistungselektronik“ in EPE'20 ECCE Europe : 22. Europäische Konferenz für Leistungselektronik und Anwendungen, Lyon, 2020
[3] J. Weimer und I. Kallfass, „Soft-Switching-Verluste in GaN- und SiC-Leistungstransistoren basierend auf neuen kalorimetrischen Messungen“, 2019. Internationales Symposium für Leistungshalbleiterbauelemente und ICs (ISPSD) 31, Shanghai, China, 2019, S. 455-458, doi: 10.1109 / ISPSD.2019.8757650.
[4] D. Koch, S. Araujo und I. Kallfass, „Genauigkeitsanalyse der kalorimetrischen Verlustmessung zum Benchmarking von Leistungstransistoren mit großer Bandlücke im Soft-Switching-Betrieb“, IEEE-Workshop 2019 zu Leistungsgeräten und Anwendungen mit großer Bandlücke in Asien (WiPDA Asia) ), Taipei, Taiwan, 2019, S. 1-6, doi: 10.1109 / WiPDAAsia.2019.8760332.