הדרישה לאפיון חלק, סימולציה ופיתוח של מוליכים למחצה

בשנים האחרונות, הדרישה לכוח אלקטרוני מערכות גדל בהתמדה. יחד עם זאת, היצרנים התמודדו עם צורך גובר בהתאמת כוח סמיקונדקטור מכשירים ליישומים ספציפיים. נכון לעכשיו, בחירת הזכות סמיקונדקטור מאתגר, שכן פערים בתקני האפיון מעכבים את ההשוואה בין רכיבים, במיוחד עבור מוליכים למחצה מהירים.

שיטות אפיון וסביבות עבור מוליכים למחצה מוגדרים בסדרת IEC 60747 [1] ב- סמיקונדקטור מכשירים. עם זאת, היישום של תקנים אלה מוגבל כשמדובר בטכנולוגיות חדשות כמו SiC ו- GaN. ואפילו לטכנולוגיות המבוססות, עקיבות המדידות לוקה בחסר.

יתר על כן, הגדרת סימולציה בתהליך הבחירה לעיתים קרובות מייגעת מצד הלקוח. סמיקונדקטור על היצרנים להחליט אילו מכלי הסימולציה הרבים הזמינים הם רוצים לדגם. אם הלקוחות שלהם משתמשים בכלי אחר מזה שבחרו, פרמטריזציה תדרוש מאמץ ניכר או שהמכשיר לא ייחשב.

הפרויקט הגרמני, במימון ציבורי, MessLeha מטפל בבעיה זו על ידי הגדרת גיליון נתונים הקריא במכונה כדי לתמוך בהגדרת מודלים של סימולציה. הפרויקט יפתח גם שיטת מדידה וסביבה למדידת מוליכים למחצה מהירים.

איור 1: סקירה כללית של הפרויקט MessLeha

פיתוח גליון נתונים דיגיטלי

על מנת לעמוד בדרישות לממיר הספק, על רכיבים בודדים לקיים אינטראקציה מיטבית במערכת מורכבת. בשביל הכוח סמיקונדקטור, בחירה ראשונית מבוססת על ערכי גליון נתונים. בשלב מאוחר יותר, מתווספים קריטריונים נוספים כגון יכולת מסירה. חלק מיצרני מוליכים למחצה כוח מציעים דגמים עבור רשתות כלים מסוימות, או נמצאים בתהליך של הכנת שלב זה. בשלב זה נשאלת השאלה האם זו הדרך הנכונה. האם יצרן של רכיב צריך לספק דגם רק עבור שרשרת כלים ספציפית? האם יש מודלים אחרים שצריך ליצור ולתחזק בטווח הבינוני? מה לגבי לקוחות/משתמשים שיש להם פתרון אחר בשימוש? מה לגבי גישה לשוק עבור כלי סימולציה חדשים אם היצרנים מציעים דגמים עבור שרשרת כלים ספציפית אחת או אולי שתיים? האם זה אולי אפילו מאט את החדשנות הטכנית?

לא יצרני מוליכים למחצה, מפתחים ויצרני כוח אלקטרוני מערכות ולא יצרניות של כלי סימולציה יכולות להיות אינטרס בתרחיש זה. זה יוצר תלות ויוצר מאמץ מיותר. הקדמה של דף נתונים קריא למכונה יכולה להיות מועילה בשלב זה. יצרני מוליכים למחצה חשמליים יאחסנו ערכים אופייניים כמו בגיליון הנתונים הנוכחי של PDF. יצרני כלי סימולציה יפתחו מהר מאוד פיתרון לייבוא ​​ומודלים אוטומטיים של מודלים של רכיבים, אם היה להם מערך נתונים מתואם שכזה. לאחר הצגת גיליון הנתונים הקריא במכונה, מפתחים יוכלו להעריך את התנהגות הרכיב הספציפי במהירות רבה. בהתאם לנכונות של יצרני מוליכים למחצה חשמליים לספק יותר נתונים מהרגיל בגיליון הנתונים הנוכחי של PDF, זה אפילו מתקבל על הדעת לספק נתוני אמינות או הצהרות עדכניות יומיות לגבי יכולת ביצוע. זה יאפשר למעצבי אלקטרוניקה כוח לייעל עוד יותר את תהליך הפיתוח. אינטראקציה מהירה ואינטנסיבית יותר בין ספקי המכשירים ללקוחותיהם נעשית מתקבלת על הדעת.

סביר מאוד להניח כי לבעלי העניין הנ"ל יהיה אינטרס אינטרס בתוכן גליון הנתונים הקריא במכונה. המטרה המוצהרת של הפרויקט היא לחקור עניין זה ולקרב את תרומתם בסטנדרט מוסכם.

איור 2: כיום (משמאל), רק לקוחות עם שרשראות כלים מתאימות יכולים להשתמש במודלים המסופקים, בעוד שמטרת מערכי הנתונים העתידיים (מימין) היא לספק ממשק מוגדר המתאים לכל שרשראות הכלים.

פיתוח מערך אפיון מודולרי

בדיקת דופק כפול (DPT) היא שיטה חשובה לאפיון והשוואת מכשירי חשמל. האפיון נעשה בדרך כלל אצל יצרן מכשירי החשמל כדי ליצור גליונות נתונים ומודלים של סימולציה. הערכת מכשירים השוואתית מבוצעת על ידי לקוחות מכשירי החשמל המכינים החלטות אסטרטגיות בין טכנולוגיות מכשיר ואריזה. בשני המקרים, המכשירים צריכים להיבדק במערך אפיון שממזער ככל האפשר את ההשפעה החיצונית על ביצועי המכשיר כדי להשיג תוצאות עקביות ומשוות. עם הופעתם של מוליכים למחצה Wide-Bandgap (WBG) חדשים כמו SiC מוספים, קישור וחיישן זרם, הפחתת קיבולים טפיליים, נהג מהיר וחזק קרוב למכשיר, ורוחב פס מספיק עבור מתח מדידה וכן למדידה שוטפת. עבור יישומים בעלי צריכת חשמל נמוכה, די מקובל למקם את הגדרת ה- DPT המלאה כולל DUT על יחיד PCB. עם זאת, בהספק גבוה יותר, ולפורטפוליו מוצרים גדול יותר כמקובל בהספק מודול עסקים, גישה זו נוטה להיות מסורבלת. לפיכך, גישה מודולרית המפרידה את ההתקנה השלמה לשני חלקים עיקריים היא יתרון. לוח התקן, הנושא רק את ההתקן עצמו ומנהל התקן אופציונלי, תוכנן בנפרד להתאמה הטובה ביותר של המודול הספציפי. כמקביל, קיים לוח קישור DC המכיל קישור DC בעל השראות נמוכה וכן מדידת זרם עם השראות נמוכה. כמובן, שני הלוחות הללו צריכים להיות מחוברים באמצעות חיבור אחיד עם השראות נמוכה. איור 3 מציג הצעה ללוח כזה המציע חיבור פשוט עם השראות נמוכה בצד שמאל וקישור DC עם מספר חיישני זרם אופציונליים בצד ימין. לוח זה מיועד לאכלס שנאי זרם דופק, סידור shunt מישורי או סליל רוגובסקי.

איור 3: לוח קישור DC עם ממשק עם אינדוקציה נמוכה [מוגן בדוא"ל]

השוואה בין עקרונות המדידה

בשל זמני המיתוג המהירים של מוליכים למחצה Wide-Bandgap, כמו SiC ו- GaN, דרישות הציוד למדידות אובדן מיתוג גדלות במהירות בהשוואה למכשירי סיליקון.

אוניברסיטת שטוטגרט עם המכונים שלה למוצרי אלקטרוניקה חשמל וכונני חשמל (ILEA) ומערכות מוליכות למחצה חזקות (ILH) פועלת לפיכך לשיפור ואפיון של מערכי מדידה לקביעת אובדן מיתוג של פס רחב. לצורך כך שופרה בדיקת הדופק הכפול והמתקדמת ביותר באמצעות חיישני זרם חדשים ואפיון דיוק גבוה של זרם ו מתח בדיקות לגבי התנהגות תדרים, כלומר רוחב פס. יתר על כן, השפעת הטפילים במערך, כמו השראות תועה, תילקח בחשבון. התוצאות מאומתות בעזרת מדידות קלורימטריות מדויקות ביותר, תוך שימוש בשלב החימום לתוצאות אובדן מיתוג מהיר בכמה נקודות פעולה.

במקביל, המכון הלאומי למטרולוגיה בגרמניה (PTB) מפתח שיטה למדידת הפסדי המיתוג באמצעות מערכת מדידת דגימה. בשיטה זו, ה מתח והזרם יירשם במדויק בזמן המעבר. לשם כך, ראשית יש לאפיין את מחלק המתח ואת המחלף. אתגר נוסף הוא תיקון הזמן בין שני האותות המוקלטים. שני גורמים אלה מבטיחים את דיוק הפסדי המיתוג המחושבים.

איור 4: מודול הספק כ- DUT וההיבטים השונים של אפיון אובדן מיתוג בפרויקט זה (באמצע). חיישן זרם חדש המבוסס על עקרון HOKA למדידת זרם מדויק [2] (למעלה משמאל). הגדרת מדידה קלורימטרית עבור מוליכים למחצה חשמליים בדידים בעלי פס רחב רחב [3] (מימין למעלה). אפיון רוחב פס לשאנט עם מחולל דופק קו העברה (PTB) (למטה משמאל). חישוב מדויק ושגיאות מדויק של מדידות קלורימטריות וחשמליות לחישוב רמת האמון [4] ​​(משמאל למטה).

לאחר שלב הפיתוח של שלוש השיטות תבוצע השוואה בין כל השיטות. כמו כן ייקבע חוסר הוודאות במדידה של המערכות.

סטנדרטיזציה בחברת החשמל - ואיך להשתתף

הפרויקט MessLeha שואף לפתח סביבת מדידה סטנדרטית וגיליון נתונים קריא במכונה כדי לתמוך בפיתוח חלק יותר של מערכות אלקטרוניות כוח. ניתן להשיג זאת רק אם הפתרון יעודכן בהרחבה. בתום הפרויקט בדצמבר 2021, יוצעו שתי טיוטות ל-DKE, ועדת גרמניה לחשמל, אֶלֶקטרוֹנִי וטכנולוגיות מידע ב-DIN ו-VDE. לאחר אישור, טיוטות אלו יוצעו לוועדה הטכנית TC 47 "התקני מוליכים למחצה" של הוועדה הבינלאומית לאלקטרוטכנית IEC.

הצעה לתיקון לסדרת חברת החשמל 60747 תטפל בחוסר העקיבה הנוכחי של המדידות. בנוסף, היא תוודא כי בדיקת הדופק הכפול תחול גם על מוליכים למחצה SiC ו- GaN החדשים. ההצעה השנייה תגדיר את דף הנתונים הקריא במכונה.

ב -4 במרץ 2021, הפרויקט MessLeha יקיים סדנה מקוונת לאיסוף משוב מבעלי העניין. במהלך שתי מפגשי פריצה ייעודיים, ידונו שותפי הפרויקט עם המשתתפים בדרישות שלהם לפרמטריזציה של מודל המכשיר והדמיות כמו גם לסביבת המדידה.

התשומות שנאספו במהלך מפגשים אלה ייכללו בעבודה השוטפת ובהצעות הסטנדרטיזציה המתקבלות. אם אתה מעוניין להשתתף, תוכל ללמוד עוד על תוכן הסדנה והרשמה באתר המופיע בסוף מאמר זה.

קישור לאתר

הפניות:

[1] הרלוונטיים הם התקנים הבאים של סדרת IEC 60747: IEC 60747-8 התקני מוליכים למחצה - התקנים בדידים - חלק 8: טרנזיסטורי אפקט שדה IEC 60747-9 התקני מוליכים למחצה - חלק 9: התקנים בדידים - טרנזיסטורים דו-קוטביים עם שער מבודד (IGBTs) IEC 60747-15 התקני מוליכים למחצה - התקנים נפרדים - חלק 15: התקני מוליכים למחצה מתח מבודדים

[2] פ 'זיגלר, נ' טרוסטר, ד 'שמידט, ג'יי רות'רדט, מ' פישר וג'יי רוט-סטיאלוב, "חיישן זרם רוחב פס רחב למדידת זרם העברה במוצרי אלקטרוניקה ממתגים מהירים" ב- EPE'20 ECCE אירופה. : הכנס האירופי ה -22 לאלקטרוניקה ויישומי כוח, ליון, 2020

[3] J. Weimer ו- I. Kallfass, "הפסדי מיתוג רכים בטרנזיסטורי כוח של GaN ו- SiC בהתבסס על מדידות קלורימטריות חדשות", 2019 סימפוזיון בינלאומי ה -31 על התקני מוליכים למחצה חשמליים ו- ICs (ISPSD), שנחאי, סין, 2019, עמ ' 455-458, doi: 10.1109 / ISPSD.2019.8757650.

[4] ד. קוך, ש. אראוג'ו ואיי. קלפאס, "ניתוח דיוק של מדידת אובדן קלורימטרי עבור טרנזיסטורי כוח רחבי פס רחב של ביצועים", סדנת IEEE לשנת 2019 בנושא התקני יישומי כוח רחבי פס רחב ויישומים באסיה (WiPDA אסיה ), טאיפיי, טייוואן, 2019, עמ '1-6, דוי: 10.1109 / WiPDAAsia.2019.8760332.