Ces dernières années, la demande d'électricité papier les systèmes ne cessent de croître. Dans le même temps, les fabricants ont été confrontés à un besoin croissant de personnaliser la puissance Semi-conducteurs appareils pour des applications spécifiques. Actuellement, sélectionner le bon Semi-conducteurs est difficile, car les lacunes dans les normes de caractérisation empêchent la comparabilité des composants électriques , en particulier pour les semi-conducteurs de puissance rapide.
Les méthodes et environnements de caractérisation des semi-conducteurs sont définis dans la série CEI 60747 [1] sur Semi-conducteurs dispositifs. Cependant, l'application de ces normes est limitée lorsqu'il s'agit de nouvelles technologies comme le SiC et le GaN. Et même pour les technologies établies, la traçabilité des mesures fait défaut.
De plus, la mise en place d'une simulation lors du processus de sélection est souvent laborieuse côté client. Semi-conducteurs les fabricants doivent décider lesquels des nombreux outils de simulation disponibles ils souhaitent modéliser. Si leurs clients utilisent un outil différent de ceux qu'ils ont sélectionnés, le paramétrage nécessitera un effort considérable ou l'appareil ne sera pas pris en compte.
Le projet allemand MessLeha, financé par des fonds publics, résout ce problème en définissant une fiche technique lisible par machine pour prendre en charge la configuration de modèles de simulation. Le projet développera également une méthode et un environnement de mesure pour mesurer les semi-conducteurs de puissance rapide.
Figure 1: Vue d'ensemble du projet MessLeha
Développement d'une fiche technique numérique
Afin de répondre aux exigences d'un convertisseur de puissance, les composants individuels doivent interagir de manière optimale dans un système complexe. Pour le pouvoir semi-conducteur, une première sélection est basée sur les valeurs de la fiche technique. Ultérieurement, d'autres critères tels que la délivrabilité sont ajoutés. Certains fabricants de semi-conducteurs de puissance proposent des modèles pour certaines chaînes d’outils, ou sont en train de préparer cette étape. À ce stade, la question se pose de savoir si c’est la bonne voie. Un fabricant d’un composant doit-il fournir un modèle uniquement pour une chaîne d’outils spécifique ? Y a-t-il d’autres modèles à créer et à maintenir à moyen terme ? Qu’en est-il des clients/utilisateurs qui utilisent une solution différente ? Qu’en est-il de l’accès au marché pour les nouveaux outils de simulation si les fabricants proposent des modèles pour une ou peut-être deux chaînes d’outils spécifiques ? Est-ce que cela ralentit peut-être même l’innovation technique ?
Ni les fabricants de semi-conducteurs, ni les développeurs et les fabricants d'énergie papier les systèmes ni les fabricants d'outils de simulation peuvent s'intéresser à ce scénario. Cela crée des dépendances et génère des efforts inutiles. L'introduction d'une fiche technique lisible par machine pourrait être utile à ce stade. Les fabricants de semi-conducteurs de puissance stockeraient des valeurs caractéristiques comme dans la fiche technique PDF actuelle. Les fabricants d'outils de simulation développeraient très rapidement une solution d'importation et de paramétrage automatique de modèles de composants, s'ils disposaient d'un tel jeu de données coordonné. Après l'introduction de la fiche technique lisible par machine, les développeurs seraient en mesure d'évaluer très rapidement le comportement d'un composant spécifique. Selon la volonté des fabricants de semi-conducteurs de puissance de fournir plus de données que d'habitude dans une fiche PDF actuelle, il serait même envisageable de fournir des données de fiabilité ou des déclarations mises à jour quotidiennement sur la délivrabilité. Cela permettrait aux concepteurs d'électronique de puissance de rationaliser davantage le processus de développement. Une interaction plus rapide et plus intense entre les fournisseurs d'appareils et leurs clients devient envisageable.
Il est fort probable que les parties prenantes susmentionnées auront un intérêt direct dans le contenu d'une fiche technique lisible par machine. L'objectif déclaré du projet est d'explorer cet intérêt et de rassembler leur contribution dans une norme convenue.
Figure 2: Aujourd'hui (à gauche), seuls les clients disposant de chaînes d'outils appropriées sont en mesure d'utiliser les modèles fournis, tandis que l'objectif des futurs ensembles de données (à droite) est de fournir une interface définie adaptée à toutes les chaînes d'outils.
Développement d'une configuration de caractérisation modulaire
Le test à double impulsion (DPT) est une méthode importante pour la caractérisation et la comparaison des dispositifs de puissance. La caractérisation est généralement effectuée chez le fabricant du dispositif d'alimentation pour créer des fiches techniques et des modèles de simulation. L'évaluation comparative des appareils est effectuée par les clients d'appareils électriques qui préparent des décisions stratégiques entre les technologies d'appareils et d'emballage. Dans les deux cas, les appareils doivent être testés dans une configuration de caractérisation qui minimise autant que possible l'impact externe sur les performances de l'appareil pour obtenir des résultats cohérents et comparables. Avec l'émergence de nouveaux semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) comme le SiC mosfet, lien et capteur de courant, réduisant les capacités parasites, un pilote rapide et puissant à proximité de l'appareil et une bande passante suffisante pour Tension mesure ainsi que pour la mesure du courant. Pour les applications à faible consommation d'énergie, il est assez courant de placer la configuration DPT complète, y compris le DUT sur un seul pcb. Cependant, à puissance plus élevée et pour un portefeuille de produits plus large, comme cela est courant dans le secteur de l'énergie module entreprise, cette approche a tendance à devenir lourde. Par conséquent, une approche modulaire séparant l’installation complète en deux parties principales est avantageuse. Une carte de périphérique, contenant uniquement le périphérique lui-même et un pilote en option, est conçue individuellement pour s'adapter au mieux au module spécifique. En contrepartie, il existe une carte de liaison CC contenant un liaison CC à faible inductance ainsi qu'une mesure de courant à faible inductance. Bien entendu, ces deux cartes doivent être connectées par une connexion unifiée à faible inductance. La figure 3 montre une proposition pour une telle carte offrant une simple connexion à faible inductance à gauche et une liaison CC avec plusieurs capteurs de courant en option à droite. Cette carte est destinée à abriter soit un transformateur de courant pulsé, un agencement de shunt planaire ou une bobine de Rogowski.
Figure 3: Carte de liaison CC avec interface à faible inductance [email protected]
Comparaison des principes de mesure
En raison des temps de commutation rapides des semi-conducteurs à large bande interdite, tels que SiC et GaN, les exigences de l'équipement pour les mesures de perte de commutation augmentent rapidement par rapport aux dispositifs au silicium.
L'Université de Stuttgart avec ses instituts pour l'électronique de puissance et les entraînements électriques (ILEA) et les systèmes robustes de semi-conducteurs de puissance (ILH) travaille donc à l'amélioration et à la caractérisation des configurations de mesure pour la détermination des pertes de commutation à large bande interdite. À cette fin, le test à double impulsion de pointe existant a été amélioré par de nouveaux capteurs de courant et une caractérisation de haute précision du courant et Tension sondes en ce qui concerne le comportement en fréquence, c'est-à-dire la largeur de bande. De plus, l'influence des parasites dans l'installation, comme l'inductance parasite, sera prise en compte. Les résultats sont vérifiés à l'aide de mesures calorimétriques très précises, utilisant la phase de chauffage pour obtenir des résultats de perte de commutation rapide à plusieurs points de fonctionnement.
En parallèle, l'Institut national de métrologie d'Allemagne (PTB) développe une méthode de mesure des pertes de commutation avec un système de mesure d'échantillonnage. Avec cette méthode, le Tension et le courant sera enregistré précisément pendant le temps de commutation. Pour cela, le diviseur de tension et le shunt doivent d'abord être caractérisés. Un autre défi est la correction du temps entre les deux signaux enregistrés. Ces deux facteurs garantissent la précision des pertes de commutation calculées.
Figure 4: Module de puissance comme DUT et les différentes facettes de la caractérisation des pertes de commutation dans ce projet (milieu). Nouveau capteur de courant basé sur le principe HOKA pour une mesure précise du courant [2] (en haut à gauche). Configuration de mesure calorimétrique pour les semi-conducteurs de puissance discrets à large bande interdite [3] (en haut à droite). Caractérisation de la bande passante pour un shunt avec un générateur d'impulsions de ligne de transmission (PTB) (en bas à gauche). Modélisation précise et calcul d'erreur des mesures calorimétriques et électriques pour le calcul du niveau de confiance [4] (en bas à gauche).
Après la phase de développement des trois méthodes, une comparaison sera effectuée entre toutes les méthodes. L'incertitude de mesure des systèmes sera également déterminée.
Normalisation en CEI - et comment participer
Le projet MessLeha vise à développer un environnement de mesure standardisé et une fiche technique lisible par machine pour soutenir un développement plus fluide des systèmes électroniques de puissance. Cela ne peut être réalisé que si la solution est largement mise à jour. A la fin du projet en décembre 2021, deux avant-projets seront proposés au DKE, la Commission allemande de l'électricité, Electronique et technologies de l'information selon DIN et VDE. Après approbation, ces projets seront ensuite proposés au Comité Technique TC 47 « Dispositifs à semi-conducteurs » de la Commission Electrotechnique Internationale CEI.
Une proposition d'amendement à la série CEI 60747 résoudra le manque actuel de traçabilité des mesures. Il s'assurera en outre que le test à double impulsion sera également applicable aux nouveaux semi-conducteurs SiC et GaN. La deuxième proposition définira la fiche technique lisible par machine.
Le 4 mars 2021, le projet MessLeha organisera un atelier en ligne pour recueillir les commentaires des parties prenantes. Au cours de deux séances en petits groupes dédiées, les partenaires du projet discuteront avec les participants de leurs besoins en matière de paramétrage et de simulation du modèle d'appareil ainsi que pour l'environnement de mesure.
Les contributions recueillies au cours de ces sessions seront intégrées aux travaux en cours et aux propositions de normalisation qui en découleront. Si vous souhaitez participer, vous pouvez en savoir plus sur le contenu de l'atelier et l'inscription sur le site Web fourni à la fin de cet article.
Lien site Internet
Références:
[1] Sont pertinentes les normes suivantes de la série CEI 60747 : CEI 60747-8 Dispositifs à semi-conducteurs – Dispositifs discrets – Partie 8 : Transistors à effet de champ CEI 60747-9 Dispositifs à semi-conducteurs – Partie 9 : Dispositifs discrets – Transistors bipolaires à grille isolée (IGBTs) CEI 60747-15 Dispositifs à semi-conducteurs – Dispositifs discrets – Partie 15 : Dispositifs à semi-conducteurs de puissance isolés
[2] P. Ziegler, N. Tröster, D. Schmidt, J. Ruthardt, M. Fischer et J. Roth-Stielow, «Wide Bandwidth Current Sensor for Commutation Current Measurement in Fast Switching Power Electronics» dans EPE'20 ECCE Europe : 22e Conférence européenne sur l'électronique de puissance et les applications, Lyon, 2020
[3] J. Weimer et I. Kallfass, «Soft-Switching Losses in GaN and SiC Power Transistors Based on New Calorimetric Measurements», 2019e Symposium international sur les dispositifs à semi-conducteurs de puissance et les circuits intégrés (ISPSD), Shanghai, Chine, 31, pp . 2019-455, doi: 458 / ISPSD.10.1109.
[4] D. Koch, S. Araujo et I. Kallfass, «Analyse de la précision de la mesure de la perte calorimétrique pour l'analyse comparative des transistors de puissance à large bande interdite dans le cadre d'une opération de commutation logicielle», Atelier IEEE 2019 sur les dispositifs et applications d'alimentation à large bande interdite en Asie (WiPDA Asie ), Taipei, Taiwan, 2019, p. 1-6, doi: 10.1109 / WiPDAAsia.2019.8760332.