최근 몇 년 동안 전력 수요는 전자 시스템은 꾸준히 성장하고 있습니다. 동시에 제조업체는 전력을 맞춤화해야 할 필요성이 증가하고 있습니다. 반도체 특정 애플리케이션을위한 장치. 현재 오른쪽 선택 반도체 특성화 표준의 차이로 인해 구성 요소들특히 고속 전력 반도체에 적합합니다.
반도체의 특성화 방법 및 환경은 IEC 60747 시리즈 [1]에 정의되어 있습니다. 반도체 장치. 그러나 이러한 표준의 적용은 SiC 및 GaN과 같은 새로운 기술과 관련하여 제한적입니다. 그리고 기존 기술의 경우에도 측정 추적 성이 부족합니다.
또한 선택 프로세스 중에 시뮬레이션을 설정하는 것은 종종 고객 측에서 힘든 일입니다. 반도체 제조업체는 사용 가능한 많은 시뮬레이션 도구 중 모델링 할 도구를 결정해야합니다. 고객이 선택한 도구와 다른 도구를 사용하는 경우 매개 변수화에는 상당한 노력이 필요하거나 장치가 고려되지 않습니다.
독일의 공공 자금 지원 프로젝트 인 MessLeha는 시뮬레이션 모델의 설정을 지원하는 기계 판독 가능 데이터 시트를 정의하여이 문제를 해결합니다. 이 프로젝트는 또한 고속 전력 반도체를 측정하기위한 측정 방법과 환경을 개발할 것입니다.
그림 1 : MessLeha 프로젝트 개요
디지털 데이터 시트 개발
전력 변환기에 대한 요구 사항을 충족하려면 개별 구성 요소가 복잡한 시스템에서 최적으로 상호 작용해야 합니다. 힘을 위해 반도체, 초기 선택은 데이터 시트 값을 기반으로 합니다. 이후 단계에서는 배송 가능성과 같은 추가 기준이 추가됩니다. 일부 전력 반도체 제조업체는 특정 툴체인에 대한 모델을 제공하거나 이 단계를 준비하는 과정에 있습니다. 이쯤 되면 과연 이 길이 맞는지 의문이 든다. 구성 요소 제조업체는 특정 툴체인에 대해서만 모델을 제공해야 합니까? 중기적으로 생성하고 유지 관리할 다른 모델이 있습니까? 다른 솔루션을 사용하고 있는 고객/사용자는 어떻습니까? 제조업체가 하나 또는 두 개의 특정 툴체인에 대한 모델을 제공하는 경우 새로운 시뮬레이션 도구에 대한 시장 접근은 어떻습니까? 이로 인해 기술 혁신이 느려지는 것은 아닐까?
반도체 제조업체, 개발자 및 전력 제조업체 모두 전자 시스템이나 시뮬레이션 도구 제조업체가이 시나리오에 관심을 가질 수 있습니다. 종속성을 생성하고 불필요한 노력을 생성합니다. 이 시점에서 기계 판독 가능 데이터 시트를 도입하면 도움이 될 수 있습니다. 전력 반도체 제조업체는 현재 PDF 데이터 시트와 같이 특성 값을 저장합니다. 시뮬레이션 도구 제조업체는 이러한 조정 된 데이터 세트가있는 경우 구성 요소 모델을 가져오고 자동으로 매개 변수화하는 솔루션을 매우 빠르게 개발할 것입니다. 기계 판독 가능 데이터 시트가 도입 된 후 개발자는 특정 구성 요소의 동작을 매우 빠르게 평가할 수 있습니다. 현재 PDF 데이터 시트에서 평소보다 더 많은 데이터를 제공하려는 전력 반도체 제조업체의 의지에 따라 신뢰성 데이터 또는 전달성에 대한 매일 업데이트 된 진술을 제공하는 것도 생각할 수 있습니다. 이를 통해 전력 전자 설계자는 개발 프로세스를 더욱 간소화 할 수 있습니다. 장치 공급 업체와 고객 간의 더 빠르고 강력한 상호 작용이 가능해집니다.
앞서 언급 한 이해 관계자는 기계 판독 가능 데이터 시트의 내용에 대해 기득권을 가질 가능성이 높습니다. 프로젝트의 선언 된 목표는이 관심사를 탐구하고 합의 된 표준으로 그들의 기여를 모으는 것입니다.
그림 2 : 현재 (왼쪽) 적절한 도구 체인을 가진 고객 만 제공된 모델을 사용할 수 있으며, 향후 데이터 세트 (오른쪽)의 목표는 모든 도구 체인에 적합한 정의 된 인터페이스를 제공하는 것입니다.
모듈 식 특성화 설정 개발
이중 펄스 테스트 (DPT)는 전력 장치 특성화 및 비교를위한 중요한 방법입니다. 특성화는 일반적으로 데이터 시트 및 시뮬레이션 모델을 생성하기 위해 전력 장치 제조업체에서 수행됩니다. 비교 장치 평가는 장치와 패키징 기술 간의 전략적 결정을 준비하는 전력 장치 고객이 수행합니다. 두 경우 모두 일관되고 비교 가능한 결과를 얻기 위해 장치 성능에 대한 외부 영향을 최소화하는 특성화 설정에서 장치를 테스트해야합니다. SiC와 같은 새로운 WBG (Wide-Bandgap) 반도체의 등장 MOSFET, 링크 및 전류 센서, 기생 커패시턴스 감소, 장치에 가까운 빠르고 강력한 드라이버 및 충분한 대역폭 전압 측정 및 전류 측정. 저전력 애플리케이션의 경우 DUT를 포함한 전체 DPT 설정을 단일 장치에 배치하는 것이 일반적입니다. PCB. 그러나 더 높은 전력과 더 큰 제품 포트폴리오의 경우 전력에서 일반적입니다. 모듈 비즈니스에서 이러한 접근 방식은 번거로워지는 경향이 있습니다. 따라서 전체 설정을 두 개의 주요 부분으로 분리하는 모듈식 접근 방식이 유리합니다. 장치 자체와 옵션 드라이버만 탑재하는 장치 보드는 특정 모듈에 가장 잘 맞도록 개별적으로 설계되었습니다. 그에 상응하는 것으로, 낮은 인덕턴스 DC 링크와 낮은 인덕턴스 전류 측정 기능을 포함하는 DC 링크 보드가 있습니다. 물론 이 두 보드는 통합된 저인덕턴스 연결로 연결되어야 합니다. 그림 3은 왼쪽에 간단한 저인덕턴스 연결을 제공하고 오른쪽에 여러 옵션 전류 센서가 있는 DC 링크를 제공하는 보드에 대한 제안을 보여줍니다. 이 보드는 펄스 전류 변압기, 평면 션트 배열 또는 Rogowski 코일을 수용하도록 설계되었습니다.
그림 3 : 낮은 인덕턴스 인터페이스가있는 DC 링크 보드 [이메일 보호]
측정 원리 비교
SiC 및 GaN과 같은 Wide-Bandgap 반도체의 빠른 스위칭 시간으로 인해 스위칭 손실 측정을위한 장비의 요구 사항은 실리콘 장치에 비해 빠르게 증가하고 있습니다.
따라서 Power Electronics and Electrical Drives (ILEA) 및 Robust Power Semiconductor Systems (ILH) 연구소가있는 University of Stuttgart는 Wide-Bandgap 스위칭 손실 측정을위한 측정 설정을 개선하고 특성화하기 위해 노력하고 있습니다. 이를 위해 기존의 최신 이중 펄스 테스트는 새로운 전류 센서와 전류 및 전압 주파수 동작, 즉 대역폭과 관련된 프로브. 또한 부유 인덕턴스와 같은 설정에서 기생의 영향이 고려됩니다. 결과는 여러 작동 지점에서 빠른 스위칭 손실 결과를 위해 가열 단계를 활용하여 매우 정확한 열량 측정을 통해 검증됩니다.
이와 동시에 독일 국립 계측 연구소 (PTB)는 샘플링 측정 시스템으로 스위칭 손실을 측정하는 방법을 개발하고 있습니다. 이 방법을 사용하면 전압 전류는 스위칭 시간 동안 정확하게 기록됩니다. 이를 위해 분압기와 션트를 먼저 특성화해야합니다. 또 다른 문제는 기록 된 두 신호 사이의 시간 수정입니다. 이 두 가지 요소는 계산 된 스위칭 손실의 정확성을 보장합니다.
그림 4 : DUT로서의 전력 모듈 및이 프로젝트에서 스위칭 손실 특성화의 다양한 측면 (중간). 정확한 전류 측정을위한 HOKA 원리에 기반한 새로운 전류 센서 [2] (왼쪽 상단). Wide-Bandgap 이산 전력 반도체에 대한 열량 측정 설정 [3] (오른쪽 상단). 전송선 펄스 발생기 (PTB)가있는 션트의 대역폭 특성화 (왼쪽 아래). 신뢰 수준 계산을위한 열량 및 전기 측정의 정확한 모델링 및 오류 계산 [4] (왼쪽 아래).
세 가지 방법의 개발 단계 후에 모든 방법을 비교합니다. 시스템의 측정 불확도도 결정됩니다.
IEC의 표준화 – 참여 방법
MessLeha 프로젝트는 전력 전자 시스템의 원활한 개발을 지원하기 위해 표준화된 측정 환경과 기계 판독 가능한 데이터 시트를 개발하는 것을 목표로 합니다. 이는 솔루션이 광범위하게 업데이트되는 경우에만 달성할 수 있습니다. 2021년 XNUMX월 프로젝트가 끝나면 독일 전기 위원회인 DKE에 두 개의 초안이 제안될 예정입니다. 전자 DIN 및 VDE의 정보 기술. 승인을 받으면 이러한 초안은 국제전기기술위원회(International Electrotechnical Commission) IEC의 기술 위원회 TC 47 "반도체 장치"에 제안됩니다.
IEC 60747 시리즈에 대한 수정 제안은 현재 측정 추적 성 부족을 해결할 것입니다. 또한 더블 펄스 테스트가 새로운 SiC 및 GaN 반도체에도 적용될 수 있도록 할 것입니다. 두 번째 제안은 기계 판독 가능 데이터 시트를 정의합니다.
4 년 2021 월 XNUMX 일 MessLeha 프로젝트는 이해 관계자의 피드백을 수집하기 위해 온라인 워크숍을 개최합니다. 두 개의 전용 브레이크 아웃 세션 동안 프로젝트 파트너는 참가자와 함께 측정 환경뿐 아니라 장치 모델 매개 변수화 및 시뮬레이션에 대한 요구 사항을 논의합니다.
이 세션에서 수집 된 의견은 진행중인 작업과 결과적인 표준화 제안에 포함될 것입니다. 참여에 관심이 있으시면이 기사 마지막에 제공된 웹 사이트에서 워크숍 내용 및 등록에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.
웹 사이트 링크
참조 :
[1] IEC 60747 시리즈의 다음 표준이 관련됩니다. IEC 60747-8 반도체 장치 – 개별 장치 – 파트 8: 전계 효과 트랜지스터 IEC 60747-9 반도체 장치 – 파트 9: 개별 장치 – 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBTs) IEC 60747-15 반도체 장치 – 개별 장치 – 제15부: 절연 전력 반도체 장치
[2] P. Ziegler, N. Tröster, D. Schmidt, J. Ruthardt, M. Fischer 및 J. Roth-Stielow, "고속 스위칭 전력 전자 장치의 정류 전류 측정을위한 광대역 전류 센서", EPE'20 ECCE 유럽 : 전력 전자 및 애플리케이션에 관한 22 차 유럽 컨퍼런스, 리옹, 2020
[3] J. Weimer 및 I. Kallfass, "새로운 열량 측정에 기반한 GaN 및 SiC 전력 트랜지스터의 소프트 스위칭 손실", 2019 년 제 31 회 전력 반도체 장치 및 IC (ISPSD) 국제 심포지엄, 중국 상하이, 2019, pp . 455-458, doi : 10.1109 / ISPSD.2019.8757650.
[4] D. Koch, S. Araujo 및 I. Kallfass, "소프트 스위칭 작동에서 광대역 밴드 갭 전력 트랜지스터를 벤치마킹하기위한 열량 손실 측정의 정확도 분석", 아시아의 와이드 밴드 갭 전력 장치 및 애플리케이션에 대한 2019 년 IEEE 워크숍 (WiPDA 아시아) ), 타이페이, 대만, 2019, pp. 1-6, doi : 10.1109 / WiPDAAsia. 2019.8760332.