近年、電力需要が高まっており、 (エレクトロニック システムは着実に成長しています。 同時に、メーカーは電源をカスタマイズする必要性の増大に直面しています。 半導体 特定のアプリケーション用のデバイス。 現在、右を選択中 半導体 特性評価基準のギャップが比較可能性を妨げるため、困難です。 コンポーネント特に高速パワー半導体の場合。
半導体の特性評価方法と環境は、IEC 60747 シリーズ [1] で定義されています。 半導体 デバイス。 ただし、SiC や GaN などの新しいテクノロジーに関しては、これらの規格の適用は限定されます。 また、確立された技術であっても、測定のトレーサビリティが不足しています。
さらに、選択プロセス中にシミュレーションを設定することは、多くの場合、顧客側で手間がかかります。 半導体 メーカーは、利用可能な多数のシミュレーション ツールのうちどれをモデル化するかを決定する必要があります。 顧客が選択したツールとは異なるツールを使用している場合、パラメータ化には多大な労力が必要となり、そうでない場合はデバイスは考慮されません。
ドイツの公的資金によるプロジェクト MessLeha は、シミュレーション モデルのセットアップをサポートする機械可読データシートを定義することで、この問題に対処しています。 このプロジェクトでは、高速パワー半導体を測定するための測定方法と環境も開発します。
図 1: MessLeha プロジェクトの概要
デジタルデータシートの開発
電力コンバータの要件を満たすためには、複雑なシステム内で個々のコンポーネントが最適に相互作用する必要があります。 力のために 半導体、初期選択はデータシートの値に基づいています。 後の段階で、配信可能性などのさらなる基準が追加されます。 一部のパワー半導体メーカーは、特定のツールチェーン用のモデルを提供しているか、このステップを準備中です。 この時点で、これが正しい方法なのかという疑問が生じます。 コンポーネントのメーカーは、特定のツールチェーン用のモデルのみを提供する必要がありますか? 中期的に作成および維持される他のモデルはありますか? 別のソリューションを使用している顧客/ユーザーはどうなりますか? メーカーが XNUMX つまたはおそらく XNUMX つの特定のツールチェーンのモデルを提供している場合、新しいシミュレーション ツールの市場アクセスはどうなるでしょうか? これはもしかしたら技術革新を遅らせることになるのでしょうか?
半導体メーカーでも電源の開発メーカーでもありません (エレクトロニック システムやシミュレーション ツールのメーカーは、このシナリオに興味を持つことができません。 依存関係が作成され、不必要な労力が発生します。 この時点では、機械可読データシートの導入が役立つ可能性があります。 パワー半導体のメーカーは、現在の PDF データシートのように特性値を保存します。 シミュレーション ツールのメーカーは、このように調整されたデータ セットがあれば、コンポーネント モデルをインポートして自動的にパラメータ化するためのソリューションを非常に迅速に開発するでしょう。 機械可読データシートの導入後、開発者は特定のコンポーネントの動作を非常に迅速に評価できるようになります。 パワー半導体メーカーが現在の PDF データシートで通常より多くのデータを提供する意欲に応じて、信頼性データや、納期に関する毎日更新されるステートメントを提供することも考えられます。 これにより、パワー エレクトロニクス設計者は開発プロセスをさらに合理化できるようになります。 デバイス ベンダーとその顧客の間の対話がより迅速かつ緊密になることが考えられます。
前述の利害関係者が機械可読データシートの内容に利害関係を持っている可能性が非常に高くなります。 このプロジェクトの宣言された目標は、この関心を探求し、彼らの貢献を合意された標準にまとめることです。
図 2: 現在 (左) は、適切なツールチェーンを持つ顧客のみが提供されたモデルを使用できますが、将来のデータセット (右) の目的は、すべてのツールチェーンに適した定義済みのインターフェイスを提供することです。
モジュール式特性評価セットアップの開発
ダブル パルス テスト (DPT) は、パワー デバイスの特性評価と比較のための重要な方法です。 特性評価は通常、パワー デバイス メーカーでデータ シートとシミュレーション モデルを作成するために行われます。 デバイスの比較評価は、デバイス技術とパッケージング技術の間の戦略的決定を準備するパワーデバイスの顧客によって実行されます。 どちらの場合も、一貫した比較可能な結果を得るには、デバイスのパフォーマンスに対する外部の影響を可能な限り最小限に抑える特性評価セットアップでデバイスをテストする必要があります。 SiC のような新しいワイドバンドギャップ (WBG) 半導体の出現により MOSFET、リンクおよび電流センサー、寄生容量の削減、デバイスに近い高速で強力なドライバー、および十分な帯域幅 電圧 電流測定だけでなく測定にも使用できます。 低電力アプリケーションの場合、DUT を含む完全な DPT セットアップを XNUMX 台のデバイス上に配置するのが非常に一般的です。 PCB。 ただし、より高出力では、一般的なようにより大規模な製品ポートフォリオの場合、 モジュール ビジネスでは、このアプローチは面倒になる傾向があります。 したがって、完全なセットアップを 3 つの主要な部分に分割するモジュール式アプローチが有利です。 デバイスボードは、デバイス自体とオプションのドライバーのみを搭載しており、特定のモジュールに最適になるように個別に設計されています。 これに対応するものとして、低インダクタンス DC リンクと低インダクタンス電流測定機能を備えた DC リンク ボードがあります。 もちろん、これら XNUMX つのボードは統一された低インダクタンス接続によって接続される必要があります。 図 XNUMX は、左側に単純な低インダクタンス接続、右側にいくつかのオプションの電流センサーを備えた DC リンクを提供するこのようなボードの提案を示しています。 このボードは、パルス電流トランス、平面シャント構成、またはロゴスキー コイルのいずれかを収容することを目的としています。
図 3: 低インダクタンス インターフェイスを備えた DC リンク ボード [email protected]
測定原理の比較
SiC や GaN などのワイドバンドギャップ半導体はスイッチング時間が速いため、スイッチング損失測定用の装置の要件はシリコン デバイスに比べて急速に増加しています。
そのため、シュトゥットガルト大学は、パワーエレクトロニクス・電気ドライブ研究所（ILEA）およびロバストパワー半導体システム（ILH）とともに、ワイドバンドギャップスイッチング損失測定のための測定セットアップの改善と特性評価に取り組んでいます。 この目的のために、既存の最先端のダブル パルス テストが、新しい電流センサーと電流と電流の高精度の特性評価によって改良されました。 電圧 周波数の挙動、つまり帯域幅に関して調査します。 さらに、浮遊インダクタンスなどのセットアップ内の寄生要素の影響も考慮されます。 結果は、いくつかの動作点での高速スイッチング損失の結果を得るために加熱フェーズを利用する、高精度の熱量測定の助けを借りて検証されます。
並行して、ドイツ国立計量研究所 (PTB) は、サンプリング測定システムを使用してスイッチング損失を測定する方法を開発しています。 この方法では、 電圧 スイッチング時間中の電流が正確に記録されます。 この目的のために、最初に分圧器とシャントの特性を評価する必要があります。 もう XNUMX つの課題は、記録された XNUMX つの信号間の時間補正です。 これら XNUMX つの要素により、計算されたスイッチング損失の精度が保証されます。
図 4: このプロジェクトにおける DUT としてのパワーモジュールとスイッチング損失特性評価のさまざまな側面 (中央)。 正確な電流測定のための HOKA 原理に基づく新しい電流センサー [2] (左上)。 ワイドバンドギャップのディスクリートパワー半導体の熱量測定セットアップ [3] (右上)。 伝送線パルス発生器 (PTB) を使用したシャントの帯域幅特性評価 (左下)。 信頼レベル計算のための熱量測定および電気測定の正確なモデリングと誤差計算 [4] (左下)。
XNUMX つのメソッドの開発段階の後、すべてのメソッド間の比較が実行されます。 システムの測定の不確かさも決定されます。
IEC での標準化 – および参加方法
MessLeha プロジェクトは、パワー エレクトロニクス システムのよりスムーズな開発をサポートする、標準化された測定環境と機械可読データシートを開発することを目的としています。 これは、ソリューションが大幅に更新された場合にのみ実現できます。 2021 年 XNUMX 月のプロジェクト終了時には、XNUMX つの草案がドイツ電気委員会である DKE に提案される予定です。 エレクトロニック DIN および VDE の情報テクノロジ。 承認後、これらの草案は国際電気標準会議 IEC の技術委員会 TC 47「半導体デバイス」に提案されます。
IEC 60747 シリーズの修正案は、現在の測定のトレーサビリティの欠如に対処するものです。 さらに、ダブルパルステストが新しい SiC および GaN 半導体にも適用できることを確認します。 XNUMX 番目の提案では、機械可読データシートを定義します。
4 年 2021 月 XNUMX 日、プロジェクト MessLeha は、関係者からのフィードバックを収集するためにオンライン ワークショップを開催します。 XNUMX つの専用の分科会セッション中に、プロジェクト パートナーは参加者とデバイス モデルのパラメータ化とシミュレーション、および測定環境の要件について話し合います。
これらのセッション中に収集された意見は、進行中の作業とその結果としての標準化提案に組み込まれます。 参加に興味があれば、この記事の最後にある Web サイトでワークショップの内容と登録の詳細を確認できます。
ウェブサイトリンク
参照：
[1] IEC 60747 シリーズの次の規格が関連します。 IEC 60747-8 半導体デバイス – ディスクリート デバイス – パート 8: 電界効果トランジスタ IEC 60747-9 半導体デバイス – パート 9: ディスクリート デバイス – 絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBTs) IEC 60747-15 半導体デバイス – ディスクリートデバイス – パート 15: 絶縁型パワー半導体デバイス
[2] P. Ziegler、N. Tröster、D. Schmidt、J. Ruthardt、M. Fischer、J. Roth-Stielow、「高速スイッチング パワー エレクトロニクスにおける整流電流測定のための広帯域幅電流センサー」EPE'20 ECCE Europe: 22nd European Conference on Power Electronics and Applications、リヨン、2020
[3] J. Weimer and I. Kallfass、「新しい熱量測定に基づくGANおよびSICパワートランジスタのソフトスイッチ喪失」、2019年31番目の国際シンポジウムパワー半導体デバイスおよびICS（ISPSD）、上海、中国、2019年、455-458、DOI：10.1109/ISP
[4] D. Koch、S. Araujo、および I. Kallfass、「ソフトスイッチング動作下のワイドバンドギャップパワートランジスタのベンチマークのための熱量測定損失測定の精度分析」、2019 IEEE Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications in Asia (WiPDA Asia)、台北、台湾、2019 年、pp. 1-6、doi: 10.1109/ WiPDAAsia.2019.8760332 XNUMX。