En los últimos años, la demanda de energía Electrónico sistemas ha ido creciendo constantemente. Al mismo tiempo, los fabricantes se han enfrentado a una necesidad cada vez mayor de personalizar la energía. Semiconductores dispositivos para aplicaciones específicas. Actualmente, seleccionando el derecho Semiconductores es un desafío, ya que las lagunas en los estándares de caracterización impiden la comparabilidad de componentes, especialmente para semiconductores de potencia rápida.
Los métodos y entornos de caracterización para semiconductores se definen en la serie IEC 60747 [1] en Semiconductores dispositivos. Sin embargo, la aplicación de estos estándares es limitada cuando se trata de nuevas tecnologías como SiC y GaN. E incluso para las tecnologías establecidas, falta la trazabilidad de las mediciones.
Además, configurar una simulación durante el proceso de selección suele ser laborioso por parte del cliente. Semiconductores los fabricantes tienen que decidir cuál de las muchas herramientas de simulación disponibles quieren modelar. Si sus clientes utilizan una herramienta diferente a las que han seleccionado, la parametrización requerirá un esfuerzo considerable o no se considerará el dispositivo.
El proyecto alemán MessLeha, financiado con fondos públicos, aborda este problema mediante la definición de una hoja de datos legible por máquina para respaldar la configuración de modelos de simulación. El proyecto también desarrollará un método de medición y un entorno para medir semiconductores de potencia rápida.
Figura 1: Resumen del proyecto MessLeha
Desarrollo de una hoja de datos digital
Para cumplir los requisitos de un convertidor de potencia, los componentes individuales deben interactuar de forma óptima en un sistema complejo. por el poder semiconductor, una selección inicial se basa en los valores de la hoja de datos. En una etapa posterior, se añaden criterios adicionales como la capacidad de entrega. Algunos fabricantes de semiconductores de potencia ofrecen modelos para determinadas cadenas de herramientas o están en el proceso de preparar este paso. En este punto surge la pregunta de si este es el camino correcto. ¿Debería un fabricante de un componente suministrar un modelo sólo para una cadena de herramientas específica? ¿Hay otros modelos que crear y mantener en el mediano plazo? ¿Qué pasa con los clientes/usuarios que utilizan una solución diferente? ¿Qué pasa con el acceso al mercado de nuevas herramientas de simulación si los fabricantes ofrecen modelos para una o quizás dos cadenas de herramientas específicas? ¿Quizás esto frene incluso la innovación técnica?
Ni fabricantes de semiconductores, desarrolladores y fabricantes de energía Electrónico ni los sistemas ni los fabricantes de herramientas de simulación pueden tener interés en este escenario. Crea dependencias y genera esfuerzos innecesarios. La introducción de una hoja de datos legible por máquina podría ser útil en este punto. Los fabricantes de semiconductores de potencia almacenarían valores característicos como en la hoja de datos PDF actual. Los fabricantes de herramientas de simulación desarrollarían muy rápidamente una solución para importar y parametrizar automáticamente modelos de componentes, si tuvieran un conjunto de datos tan coordinado. Después de la introducción de la hoja de datos legible por máquina, los desarrolladores podrían evaluar el comportamiento de un componente específico muy rápidamente. Dependiendo de la voluntad de los fabricantes de semiconductores de potencia para proporcionar más datos de lo habitual en una hoja de datos PDF actual, incluso sería concebible proporcionar datos de fiabilidad o declaraciones actualizadas diariamente sobre la capacidad de entrega. Esto permitiría a los diseñadores de electrónica de potencia optimizar aún más el proceso de desarrollo. Es concebible una interacción más rápida e intensa entre los proveedores de dispositivos y sus clientes.
Es muy probable que las partes interesadas antes mencionadas tengan un interés personal en el contenido de una hoja de datos legible por máquina. El objetivo declarado del proyecto es explorar este interés y reunir su contribución en un estándar acordado.
Figura 2: Hoy (izquierda), solo los clientes con cadenas de herramientas adecuadas pueden utilizar los modelos proporcionados, mientras que el objetivo de los conjuntos de datos futuros (derecha) es proporcionar una interfaz definida adecuada para todas las cadenas de herramientas.
Desarrollo de una configuración de caracterización modular
La prueba de doble pulso (DPT) es un método importante para la caracterización y comparación de dispositivos de potencia. La caracterización generalmente se realiza en el fabricante del dispositivo de potencia para crear hojas de datos y modelos de simulación. La evaluación comparativa de dispositivos la realizan los clientes de dispositivos de potencia que preparan decisiones estratégicas entre las tecnologías de dispositivo y empaque. Para ambos casos, los dispositivos deben probarse en una configuración de caracterización que minimice el impacto externo en el rendimiento del dispositivo en la medida de lo posible para lograr resultados consistentes y comparables. Con la aparición de nuevos semiconductores Wide-Bandgap (WBG) como SiC mosfets, enlace y sensor de corriente, reduciendo las capacitancias parásitas, un controlador rápido y fuerte cerca del dispositivo y suficiente ancho de banda para voltaje medición así como para la medición de corriente. Para aplicaciones de baja potencia, es bastante común colocar la configuración DPT completa, incluido el DUT, en un solo pcb. Sin embargo, a mayor potencia y para una cartera de productos más amplia, como es común en el sector de la energía. módulo negocio, este enfoque tiende a volverse engorroso. Por lo tanto, resulta ventajoso un enfoque modular que separe la configuración completa en dos partes principales. Una placa de dispositivo, que contiene solo el dispositivo en sí y un controlador opcional, está diseñada individualmente para adaptarse mejor al módulo específico. Como contraparte, hay una placa de enlace CC que contiene un enlace CC de baja inductancia, así como una medición de corriente de baja inductancia. Por supuesto, estas dos placas deben estar conectadas mediante una conexión unificada de baja inductancia. La figura 3 muestra una propuesta para una placa de este tipo que ofrece una conexión simple de baja inductancia a la izquierda y un enlace de CC con varios sensores de corriente opcionales a la derecha. Esta placa está destinada a albergar un transformador de corriente de impulsos, una disposición en derivación plana o una bobina de Rogowski.
Figura 3: Tarjeta de enlace de CC con interfaz de baja inductancia [protegido por correo electrónico]
Comparación de principios de medición
Debido a los tiempos de conmutación rápidos de los semiconductores Wide-Bandgap, como SiC y GaN, los requisitos del equipo para las medidas de pérdida de conmutación aumentan rápidamente en comparación con los dispositivos de silicio.
Por lo tanto, la Universidad de Stuttgart con sus Institutos de Electrónica de Potencia y Accionamientos Eléctricos (ILEA) y Robust Power Semiconductor Systems (ILH) está trabajando para mejorar y caracterizar las configuraciones de medición para la determinación de la pérdida de conmutación de banda ancha. Para este propósito, la prueba de doble pulso de última generación existente se ha mejorado con nuevos sensores de corriente y una caracterización de alta precisión de la corriente y voltaje sondas con respecto al comportamiento de la frecuencia, es decir, el ancho de banda. Además, se tendrá en cuenta la influencia de los parásitos en la configuración, como la inductancia parásita. Los resultados se verifican con la ayuda de mediciones calorimétricas de alta precisión, utilizando la fase de calentamiento para obtener resultados rápidos de pérdida de conmutación en varios puntos de operación.
Paralelamente, el Instituto Nacional de Metrología de Alemania (PTB) está desarrollando un método para medir las pérdidas de conmutación con un sistema de medición por muestreo. Con este método, el voltaje y la corriente se registrará precisamente durante el tiempo de conmutación. Para ello, es necesario caracterizar primero el divisor de tensión y la derivación. Otro desafío es la corrección de tiempo entre las dos señales grabadas. Estos dos factores garantizan la precisión de las pérdidas de conmutación calculadas.
Figura 4: Módulo de potencia como DUT y las diferentes facetas de la caracterización de la pérdida de conmutación en este proyecto (centro). Sensor de corriente novedoso basado en el principio HOKA para una medición de corriente precisa [2] (arriba a la izquierda). Configuración de medición calorimétrica para semiconductores de potencia discretos de banda ancha amplia [3] (arriba a la derecha). Caracterización del ancho de banda para una derivación con un generador de impulsos de línea de transmisión (PTB) (abajo a la izquierda). Modelado preciso y cálculo de errores de mediciones calorimétricas y eléctricas para el cálculo del nivel de confianza [4] (abajo a la izquierda).
Después de la fase de desarrollo de los tres métodos, se realizará una comparación entre todos los métodos. También se determinará la incertidumbre de medición de los sistemas.
Estandarización en IEC y cómo participar
El proyecto MessLeha tiene como objetivo desarrollar un entorno de medición estandarizado y una hoja de datos legible por máquina para respaldar un desarrollo más fluido de los sistemas electrónicos de potencia. Esto sólo se puede lograr si la solución se actualiza ampliamente. Al finalizar el proyecto en diciembre de 2021, se propondrán dos borradores a la DKE, la Comisión Alemana de Electricidad, Electronic y Tecnologías de la Información en DIN y VDE. Una vez aprobados, estos borradores se propondrán al Comité Técnico TC 47 “Dispositivos semiconductores” de la Comisión Electrotécnica Internacional IEC.
Una propuesta de enmienda a la serie IEC 60747 abordará la actual falta de trazabilidad de las mediciones. Además, se asegurará de que la prueba de doble pulso sea aplicable también a los nuevos semiconductores de SiC y GaN. La segunda propuesta definirá la hoja de datos legible por máquina.
El 4 de marzo de 2021, el proyecto MessLeha llevará a cabo un taller en línea para recopilar comentarios de las partes interesadas. Durante dos sesiones especiales dedicadas, los socios del proyecto discutirán con los participantes sus requisitos para la parametrización y simulaciones del modelo de dispositivo, así como para el entorno de medición.
Las aportaciones recopiladas durante estas sesiones se incluirán en el trabajo en curso y las propuestas de normalización resultantes. Si está interesado en participar, puede obtener más información sobre el contenido del taller y el registro en el sitio web que se proporciona al final de este artículo.
Enlace Web
Referencias:
[1] Son relevantes las siguientes normas de la serie IEC 60747: IEC 60747-8 Dispositivos semiconductores – Dispositivos discretos – Parte 8: Transistores de efecto de campo IEC 60747-9 Dispositivos semiconductores – Parte 9: Dispositivos discretos – Transistores bipolares de puerta aislada (IGBTs) IEC 60747-15 Dispositivos semiconductores – Dispositivos discretos – Parte 15: Dispositivos semiconductores de potencia aislados
[2] P. Ziegler, N. Tröster, D. Schmidt, J. Ruthardt, M. Fischer y J. Roth-Stielow, “Sensor de corriente de ancho de banda amplio para medición de corriente de conmutación en electrónica de potencia de conmutación rápida” en EPE'20 ECCE Europa : 22a Conferencia Europea sobre Electrónica de Potencia y Aplicaciones, Lyon, 2020
[3] J. Weimer e I. Kallfass, “Pérdidas de conmutación suave en transistores de potencia de GaN y SiC basadas en nuevas mediciones calorimétricas”, 2019º Simposio internacional sobre dispositivos e circuitos integrados de semiconductores de potencia (ISPSD) de 31, Shanghai, China, 2019, págs. .455-458, doi: 10.1109 / ISPSD.2019.8757650.
[4] D. Koch, S. Araujo e I. Kallfass, “Análisis de precisión de la medición de pérdida calorimétrica para la evaluación comparativa de transistores de potencia de banda ancha en funcionamiento de conmutación suave”, Taller de IEEE de 2019 sobre dispositivos y aplicaciones de energía de banda ancha en Asia (WiPDA Asia ), Taipei, Taiwán, 2019, págs.1 a 6, doi: 10.1109 / WiPDAAsia.2019.8760332.