Dalam beberapa tahun terakhir, permintaan akan tenaga listrik elektronik sistem terus berkembang. Pada saat yang sama, produsen dihadapkan pada kebutuhan yang semakin meningkat untuk menyesuaikan daya Semikonduktor perangkat untuk aplikasi tertentu. Saat ini, memilih hak Semikonduktor menantang, karena kesenjangan dalam standar karakterisasi menghalangi perbandingan komponen, terutama untuk semikonduktor daya cepat.
Metode karakterisasi dan lingkungan untuk semikonduktor didefinisikan dalam seri IEC 60747 [1] Semikonduktor perangkat. Namun, penerapan standar ini terbatas pada teknologi baru seperti SiC dan GaN. Dan bahkan untuk teknologi yang sudah mapan, ketertelusuran pengukuran masih kurang.
Selain itu, menyiapkan simulasi selama proses pemilihan sering kali melelahkan di sisi pelanggan. Semikonduktor pabrikan harus memutuskan alat simulasi mana yang ingin mereka modelkan. Jika pelanggan mereka menggunakan alat yang berbeda dari yang telah mereka pilih, maka parametrikisasi akan membutuhkan banyak usaha atau perangkat tidak akan dipertimbangkan.
Proyek MessLeha yang didanai publik Jerman mengatasi masalah ini dengan menentukan lembar data yang dapat dibaca mesin untuk mendukung pengaturan model simulasi. Proyek ini juga akan mengembangkan metode pengukuran dan lingkungan untuk mengukur semikonduktor daya cepat.
Gambar 1: Ikhtisar proyek MessLeha
Pengembangan Lembar Data Digital
Untuk memenuhi persyaratan konverter daya, masing-masing komponen harus berinteraksi secara optimal dalam sistem yang kompleks. Untuk kekuatan semikonduktor, pilihan awal didasarkan pada nilai lembar data. Pada tahap selanjutnya, kriteria lebih lanjut seperti keterkiriman ditambahkan. Beberapa produsen semikonduktor daya menawarkan model untuk rantai alat tertentu, atau sedang dalam proses mempersiapkan langkah ini. Pada titik ini timbul pertanyaan apakah ini cara yang benar. Haruskah produsen komponen menyediakan model hanya untuk rantai alat tertentu? Apakah ada model lain yang perlu dibuat dan dipertahankan dalam jangka menengah? Bagaimana dengan pelanggan/pengguna yang menggunakan solusi berbeda? Bagaimana dengan akses pasar untuk alat simulasi baru jika produsen menawarkan model untuk satu atau mungkin dua rantai alat tertentu? Apakah hal ini mungkin memperlambat inovasi teknis?
Baik pabrikan semikonduktor, pengembang maupun pabrikan listrik elektronik sistem atau produsen alat simulasi dapat memiliki kepentingan dalam skenario ini. Ini menciptakan ketergantungan dan menghasilkan usaha yang tidak perlu. Pengenalan lembar data yang dapat dibaca mesin dapat membantu saat ini. Produsen semikonduktor daya akan menyimpan nilai karakteristik seperti pada lembar data PDF saat ini. Produsen alat simulasi akan dengan sangat cepat mengembangkan solusi untuk mengimpor dan secara otomatis membuat parameter model komponen, jika mereka memiliki kumpulan data yang terkoordinasi. Setelah pengenalan lembar data yang dapat dibaca mesin, pengembang akan dapat mengevaluasi perilaku komponen tertentu dengan sangat cepat. Bergantung pada kemauan produsen semikonduktor daya untuk menyediakan lebih banyak data daripada biasanya dalam lembar data PDF saat ini, bahkan dapat dibayangkan untuk memberikan data keandalan atau pernyataan yang diperbarui setiap hari tentang pengiriman. Ini akan memungkinkan desainer elektronika daya untuk lebih merampingkan proses pengembangan. Interaksi yang lebih cepat dan lebih intens antara vendor perangkat dan pelanggan mereka menjadi dapat dibayangkan.
Sangat mungkin bahwa pemangku kepentingan yang disebutkan di atas akan memiliki kepentingan dalam konten lembar data yang dapat dibaca mesin. Tujuan yang dinyatakan dari proyek ini adalah untuk mengeksplorasi minat ini dan menyatukan kontribusi mereka dalam standar yang disepakati.
Gambar 2: Saat ini (kiri), hanya pelanggan dengan toolchain yang sesuai yang dapat menggunakan model yang disediakan, sedangkan tujuan set data di masa mendatang (kanan) adalah menyediakan antarmuka yang ditentukan yang sesuai untuk semua toolchain.
Pengembangan Setup Karakterisasi Modular
Double Pulse Testing (DPT) adalah metode penting untuk karakterisasi dan perbandingan perangkat daya. Karakterisasi biasanya dilakukan di pabrik pembuat perangkat listrik untuk membuat lembar data dan model simulasi. Evaluasi perangkat komparatif dilakukan oleh pelanggan perangkat daya yang mempersiapkan keputusan strategis antara perangkat dan teknologi pengemasan. Untuk kedua kasus, perangkat perlu diuji dalam pengaturan karakterisasi yang meminimalkan dampak eksternal pada kinerja perangkat sejauh mungkin untuk mencapai hasil yang konsisten dan sebanding. Dengan munculnya semikonduktor Wide-Bandgap (WBG) baru seperti SiC MOSFET, link dan sensor arus, mengurangi kapasitansi parasit, driver yang cepat dan kuat dekat dengan perangkat, dan bandwidth yang cukup untuk tegangan pengukuran serta untuk pengukuran arus. Untuk aplikasi berdaya rendah, cukup umum untuk menempatkan pengaturan DPT lengkap termasuk DUT pada satu aplikasi PCB. Namun, pada kekuatan yang lebih tinggi, dan untuk portofolio produk yang lebih besar seperti yang biasa terjadi modul bisnis, pendekatan ini cenderung rumit. Oleh karena itu, pendekatan modular yang memisahkan pengaturan lengkap menjadi dua bagian utama akan bermanfaat. Papan perangkat, yang hanya membawa perangkat itu sendiri dan driver opsional, dirancang secara individual agar paling sesuai dengan modul tertentu. Sebagai pasangannya, terdapat papan tautan DC yang berisi tautan DC induktansi rendah serta pengukuran arus induktansi rendah. Tentu saja, kedua papan ini perlu dihubungkan dengan sambungan induktansi rendah yang terpadu. Gambar 3 menunjukkan proposal untuk papan yang menawarkan sambungan induktansi rendah sederhana di sebelah kiri dan sambungan DC dengan beberapa sensor arus opsional di sebelah kanan. Papan ini dimaksudkan untuk menampung transformator arus pulsa, susunan shunt planar, atau kumparan Rogowski.
Gambar 3: Papan tautan DC dengan antarmuka induktansi rendah [email dilindungi]
Perbandingan Prinsip Pengukuran
Karena waktu switching yang cepat dari semikonduktor Wide-Bandgap, seperti SiC dan GaN, persyaratan peralatan untuk pengukuran kerugian switching meningkat pesat dibandingkan dengan perangkat silikon.
University of Stuttgart dengan Institutes for Power Electronics and Electrical Drives (ILEA) dan Robust Power Semiconductor Systems (ILH) bekerja untuk meningkatkan dan mengkarakterisasi pengaturan pengukuran untuk penentuan kerugian switching Bandgap Lebar. Untuk tujuan ini, Uji Denyut Ganda mutakhir yang ada telah ditingkatkan dengan sensor arus baru dan karakterisasi arus dan arus dengan akurasi tinggi. tegangan probe berkaitan dengan perilaku frekuensi, yaitu bandwidth. Selanjutnya, pengaruh parasitics di setup, seperti induktansi nyasar, akan diperhitungkan. Hasilnya diverifikasi dengan bantuan pengukuran kalorimetrik yang sangat akurat, memanfaatkan fase pemanasan untuk hasil kehilangan peralihan yang cepat di beberapa titik operasi.
Secara paralel, National Metrology Institute of Germany (PTB) sedang mengembangkan metode untuk mengukur kerugian switching dengan sistem pengukuran sampling. Dengan metode ini, file tegangan dan arus akan direkam dengan tepat selama waktu peralihan. Untuk tujuan ini, pembagi tegangan dan shunt harus dikarakterisasi terlebih dahulu. Tantangan lainnya adalah koreksi waktu antara dua sinyal yang terekam. Kedua faktor ini memastikan keakuratan kerugian switching yang dihitung.
Gambar 4: Modul daya sebagai DUT dan berbagai aspek karakterisasi kerugian switching dalam proyek ini (tengah). Sensor arus baru berdasarkan prinsip HOKA untuk pengukuran arus yang tepat [2] (kiri atas). Konfigurasi pengukuran kalorimetrik untuk semikonduktor daya diskrit Wide-Bandgap [3] (kanan atas). Karakterisasi bandwidth untuk shunt dengan generator pulsa saluran transmisi (PTB) (kiri bawah). Pemodelan yang tepat dan kesalahan perhitungan pengukuran kalorimetrik dan kelistrikan untuk perhitungan tingkat kepercayaan [4] (kiri bawah).
Setelah tahap pengembangan ketiga metode tersebut, akan dilakukan perbandingan antara semua metode. Ketidakpastian pengukuran sistem juga akan ditentukan.
Standardisasi dalam KIE - dan Cara Berpartisipasi
Proyek MessLeha bertujuan untuk mengembangkan lingkungan pengukuran standar dan lembar data yang dapat dibaca mesin untuk mendukung pengembangan sistem elektronika daya yang lebih lancar. Hal ini hanya dapat dicapai jika solusinya diperbarui secara ekstensif. Pada akhir proyek pada Desember 2021, dua rancangan akan diusulkan ke DKE, Komisi Kelistrikan Jerman, Elektronik & Teknologi Informasi di DIN dan VDE. Setelah disetujui, rancangan ini kemudian akan diusulkan ke Komite Teknis TC 47 “Perangkat semikonduktor” dari Komisi Elektroteknik Internasional (IEC).
Sebuah proposal untuk amandemen IEC 60747 series akan membahas kurangnya ketertelusuran pengukuran saat ini. Selanjutnya akan memastikan bahwa Tes Denyut Ganda akan berlaku untuk semikonduktor SiC dan GaN yang baru juga. Proposal kedua akan menentukan lembar data yang dapat dibaca mesin.
Pada 4 Maret 2021, proyek MessLeha akan mengadakan lokakarya online untuk mengumpulkan umpan balik dari para pemangku kepentingan. Selama dua sesi breakout khusus, mitra proyek akan mendiskusikan dengan peserta persyaratan mereka untuk parametriisasi dan simulasi model perangkat serta untuk lingkungan pengukuran.
Masukan yang dikumpulkan selama sesi ini akan dimasukkan dalam pekerjaan yang sedang berlangsung dan proposal standardisasi yang dihasilkan. Jika Anda tertarik untuk berpartisipasi, Anda dapat mempelajari lebih lanjut tentang konten lokakarya dan pendaftaran di situs web yang disediakan di bagian akhir artikel ini.
Website Link
Referensi:
[1] Yang relevan adalah standar seri IEC 60747 berikut: IEC 60747-8 Perangkat semikonduktor – Perangkat diskrit – Bagian 8: Transistor efek medan IEC 60747-9 Perangkat semikonduktor – Bagian 9: Perangkat diskrit – Transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBTs) IEC 60747-15 Perangkat semikonduktor – Perangkat diskrit – Bagian 15: Perangkat semikonduktor daya terisolasi
[2] P. Ziegler, N. Tröster, D. Schmidt, J. Ruthardt, M. Fischer dan J. Roth-Stielow, “Sensor Arus Bandwidth Lebar untuk Pengukuran Arus Pergantian dalam Elektronik Daya Switching Cepat” di EPE'20 ECCE Eropa : Konferensi Eropa ke-22 tentang Elektronik dan Aplikasi Listrik, Lyon, 2020
[3] J. Weimer dan I. Kallfass, “Soft-Switching Losses in GaN dan SiC Power Transistors Berdasarkan Pengukuran Kalorimetrik Baru,” Simposium Internasional ke-2019 31 tentang Perangkat dan IC Semikonduktor Daya (ISPSD), Shanghai, Cina, 2019, hal 455-458, doi: 10.1109 / ISPSD.2019.8757650.
[4] D. Koch, S. Araujo dan I. Kallfass, “Analisis Akurasi Pengukuran Kerugian Kalorimetrik untuk Pembandingan Transistor Daya Celah Lebar dalam Operasi Sakelar Lunak,” Lokakarya IEEE 2019 tentang Perangkat dan Aplikasi Daya Celah Lebar di Asia (WiPDA Asia ), Taipei, Taiwan, 2019, hlm. 1-6, doi: 10.1109 / WiPDAAsia.2019.8760332.