Negli ultimi anni, la domanda di potere elettronico sistemi è in costante crescita. Allo stesso tempo, i produttori hanno dovuto affrontare una crescente necessità di personalizzare la potenza Semiconduttore dispositivi per applicazioni specifiche. Attualmente, selezionando il diritto Semiconduttore è impegnativo, poiché le lacune negli standard di caratterizzazione impediscono la comparabilità di componenti, soprattutto per semiconduttori di potenza veloce.
I metodi e gli ambienti di caratterizzazione per i semiconduttori sono definiti nella serie IEC 60747 [1] su Semiconduttore dispositivi. Tuttavia, l'applicazione di questi standard è limitata quando si tratta di nuove tecnologie come SiC e GaN. E anche per le tecnologie consolidate manca la tracciabilità delle misurazioni.
Inoltre, la creazione di una simulazione durante il processo di selezione è spesso laboriosa da parte del cliente. Semiconduttore i produttori devono decidere quale dei tanti strumenti di simulazione disponibili desiderano modellare. Se i loro clienti utilizzano uno strumento diverso da quelli che hanno selezionato, la parametrizzazione richiederà uno sforzo considerevole o il dispositivo non verrà preso in considerazione.
Il progetto tedesco MessLeha, finanziato con fondi pubblici, affronta questo problema definendo una scheda tecnica leggibile dalla macchina per supportare la configurazione dei modelli di simulazione. Il progetto svilupperà anche un metodo e un ambiente di misurazione per misurare i semiconduttori di potenza veloce.
Figura 1: Panoramica del progetto MessLeha
Sviluppo di una scheda tecnica digitale
Per soddisfare i requisiti di un convertitore di potenza, i singoli componenti devono interagire in modo ottimale in un sistema complesso. Per il potere semiconduttore, una prima selezione si basa sui valori della scheda tecnica. In una fase successiva vengono aggiunti ulteriori criteri come la consegnabilità. Alcuni produttori di semiconduttori di potenza offrono modelli per determinate toolchain o stanno preparando questa fase. A questo punto viene da chiedersi se questa sia la strada giusta. Un produttore di un componente dovrebbe fornire un modello solo per una toolchain specifica? Ci sono altri modelli da creare e mantenere nel medio termine? E i clienti/utenti che utilizzano una soluzione diversa? Che dire dell’accesso al mercato per nuovi strumenti di simulazione se i produttori offrono modelli per una o forse due toolchain specifiche? Questo forse rallenta anche l’innovazione tecnica?
Né produttori di semiconduttori, sviluppatori e produttori di energia elettronico i sistemi né i produttori di strumenti di simulazione possono essere interessati a questo scenario. Crea dipendenze e genera sforzi inutili. A questo punto potrebbe essere utile l'introduzione di una scheda tecnica leggibile dalla macchina. I produttori di semiconduttori di potenza memorizzerebbero i valori caratteristici come nell'attuale scheda tecnica PDF. I produttori di strumenti di simulazione svilupperebbero molto rapidamente una soluzione per importare e parametrizzare automaticamente i modelli dei componenti, se avessero un set di dati così coordinato. Dopo l'introduzione della scheda tecnica leggibile dalla macchina, gli sviluppatori sarebbero in grado di valutare il comportamento di un componente specifico molto rapidamente. A seconda della volontà dei produttori di semiconduttori di potenza di fornire più dati del normale in una scheda tecnica PDF corrente, sarebbe persino concepibile fornire dati sull'affidabilità o dichiarazioni aggiornate quotidianamente sulla deliverability. Ciò consentirebbe ai progettisti di elettronica di potenza di semplificare ulteriormente il processo di sviluppo. Diventa concepibile un'interazione più rapida e più intensa tra i fornitori di dispositivi ei loro clienti.
È altamente probabile che le suddette parti interessate abbiano un interesse acquisito nel contenuto di una scheda tecnica leggibile da una macchina. L'obiettivo dichiarato del progetto è esplorare questo interesse e riunire il loro contributo in uno standard concordato.
Figura 2: Oggi (a sinistra), solo i clienti con le toolchain appropriate possono utilizzare i modelli forniti, mentre lo scopo dei set di dati futuri (a destra) è fornire un'interfaccia definita adatta a tutte le toolchain.
Sviluppo di un setup di caratterizzazione modulare
Il Double Pulse Testing (DPT) è un metodo importante per la caratterizzazione e il confronto dei dispositivi di potenza. La caratterizzazione viene solitamente eseguita presso il produttore del dispositivo di alimentazione per creare schede tecniche e modelli di simulazione. La valutazione comparativa del dispositivo viene eseguita dai clienti dei dispositivi di alimentazione che preparano decisioni strategiche tra dispositivi e tecnologie di confezionamento. Per entrambi i casi, i dispositivi devono essere testati in una configurazione di caratterizzazione che minimizzi il più possibile l'impatto esterno sulle prestazioni del dispositivo per ottenere risultati coerenti e comparabili. Con l'emergere di nuovi semiconduttori Wide-Bandgap (WBG) come SiC mosfet, collegamento e sensore di corrente, riducendo le capacità parassite, un driver veloce e potente vicino al dispositivo e una larghezza di banda sufficiente per voltaggio misurazione così come per la misurazione della corrente. Per le applicazioni a bassa potenza, è abbastanza comune posizionare l'intera configurazione DPT incluso il DUT su un singolo pcb. Tuttavia, a potenze più elevate e per un portafoglio di prodotti più ampio, come nel caso della potenza modulo affari, questo approccio tende a diventare macchinoso. Pertanto, è vantaggioso un approccio modulare che separi l’installazione completa in due parti principali. Una scheda del dispositivo, che trasporta solo il dispositivo stesso e un driver opzionale, è progettata individualmente per adattarsi al meglio al modulo specifico. In contropartita è presente una scheda del circuito intermedio contenente un circuito intermedio a bassa induttanza e una misurazione della corrente a bassa induttanza. Naturalmente, queste due schede devono essere collegate tramite una connessione unificata a bassa induttanza. La Fig. 3 mostra una proposta per una scheda di questo tipo che offre una semplice connessione a bassa induttanza a sinistra e un collegamento CC con diversi sensori di corrente opzionali a destra. Questa scheda è destinata ad ospitare un trasformatore di corrente a impulsi, una disposizione di shunt planare o una bobina di Rogowski.
Figura 3: scheda DC-link con interfaccia a bassa induttanza [protetta da email]
Confronto dei principi di misurazione
A causa dei tempi di commutazione rapidi dei semiconduttori a banda larga, come SiC e GaN, i requisiti dell'apparecchiatura per le misurazioni della perdita di commutazione stanno aumentando rapidamente rispetto ai dispositivi al silicio.
L'Università di Stoccarda con i suoi Istitutes for Power Electronics and Electrical Drives (ILEA) e Robust Power Semiconductor Systems (ILH) sta quindi lavorando al miglioramento e alla caratterizzazione delle configurazioni di misura per la determinazione della perdita di commutazione a banda larga. A tal fine, l'attuale test a doppio impulso all'avanguardia è stato migliorato da nuovi sensori di corrente e caratterizzazione ad alta precisione di corrente e voltaggio sonde per quanto riguarda il comportamento in frequenza, cioè la larghezza di banda. Inoltre, verrà presa in considerazione l'influenza dei parassiti nel setup, come l'induttanza parassita. I risultati vengono verificati con l'ausilio di misurazioni calorimetriche altamente accurate, utilizzando la fase di riscaldamento per risultati di perdita di commutazione rapidi in diversi punti operativi.
Parallelamente, l'Istituto nazionale di metrologia tedesco (PTB) sta sviluppando un metodo per misurare le perdite di commutazione con un sistema di misurazione a campionamento. Con questo metodo, il voltaggio e la corrente verrà registrata precisamente durante il tempo di commutazione. A tal fine, è necessario prima caratterizzare il partitore di tensione e lo shunt. Un'altra sfida è la correzione del tempo tra i due segnali registrati. Questi due fattori garantiscono la precisione delle perdite di commutazione calcolate.
Figura 4: Modulo di potenza come DUT e le diverse sfaccettature della caratterizzazione della perdita di commutazione in questo progetto (al centro). Nuovo sensore di corrente basato sul principio HOKA per una misurazione precisa della corrente [2] (in alto a sinistra). Configurazione della misurazione calorimetrica per semiconduttori di potenza discreti a banda larga [3] (in alto a destra). Caratterizzazione della larghezza di banda per uno shunt con un generatore di impulsi di linea di trasmissione (PTB) (in basso a sinistra). Modellazione precisa e calcolo degli errori delle misurazioni calorimetriche ed elettriche per il calcolo del livello di fiducia [4] (in basso a sinistra).
Dopo la fase di sviluppo dei tre metodi, verrà effettuato un confronto tra tutti i metodi. Verrà inoltre determinata l'incertezza di misura dei sistemi.
Standardizzazione in IEC - e come partecipare
Il progetto MessLeha mira a sviluppare un ambiente di misurazione standardizzato e schede tecniche leggibili dalle macchine per supportare uno sviluppo più agevole dei sistemi elettronici di potenza. Ciò può essere ottenuto solo se la soluzione viene ampiamente aggiornata. Alla fine del progetto, nel dicembre 2021, due bozze verranno proposte alla DKE, la Commissione tedesca per l'elettricità, Elettronico & Tecnologie dell'informazione in DIN e VDE. Una volta approvate, tali bozze verranno poi proposte al Comitato Tecnico TC 47 “Dispositivi a semiconduttore” della Commissione Elettrotecnica Internazionale IEC.
Una proposta di emendamento alla serie IEC 60747 affronterà l'attuale mancanza di tracciabilità delle misurazioni. Inoltre si assicurerà che il Double Pulse Test sia applicabile anche ai nuovi semiconduttori SiC e GaN. La seconda proposta definirà la scheda tecnica leggibile dalla macchina.
Il 4 marzo 2021, il progetto MessLeha terrà un workshop online per raccogliere feedback dagli stakeholder. Durante due sessioni interattive dedicate, i partner del progetto discuteranno con i partecipanti i loro requisiti per la parametrizzazione e le simulazioni del modello del dispositivo, nonché per l'ambiente di misurazione.
Il contributo raccolto durante queste sessioni sarà incluso nel lavoro in corso e nelle proposte di standardizzazione che ne derivano. Se sei interessato a partecipare, puoi saperne di più sul contenuto del workshop e sulla registrazione sul sito web fornito alla fine di questo articolo.
Link al Sito Web
Riferimenti:
[1] Rilevanti sono le seguenti norme della serie IEC 60747: IEC 60747-8 Dispositivi a semiconduttore – Dispositivi discreti – Parte 8: Transistor a effetto di campo IEC 60747-9 Dispositivi a semiconduttore – Parte 9: Dispositivi discreti – Transistor bipolari a gate isolato (IGBTs) IEC 60747-15 Dispositivi a semiconduttore – Dispositivi discreti – Parte 15: Dispositivi a semiconduttore di potenza isolati
[2] P. Ziegler, N. Tröster, D. Schmidt, J. Ruthardt, M. Fischer e J. Roth-Stielow, "Wide Bandwidth Current Sensor for Commutation Current Measurement in Fast Switching Power Electronics" in EPE'20 ECCE Europe : 22nd European Conference on Power Electronics and Applications, Lyon, 2020
[3] J. Weimer e I. Kallfass, "Soft-Switching Losses in GaN and SiC Power Transistors Based on New Calorimetric Measurements," 2019 31st International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), Shanghai, China, 2019, pp . 455-458, doi: 10.1109 / ISPSD.2019.8757650.
[4] D. Koch, S. Araujo e I. Kallfass, "Accuracy Analysis of Calorimetric Loss Measurement for Benchmarking Wide Bandgap Power Transistors under Soft-Switching Operation," 2019 IEEE Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications in Asia (WiPDA Asia ), Taipei, Taiwan, 2019, pagg. 1-6, doi: 10.1109 / WiPDAAsia.2019.8760332.