Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, permintaan akan kuasa elektronik sistem telah berkembang dengan stabil. Pada masa yang sama, pengeluar menghadapi kebutuhan yang semakin meningkat untuk menyesuaikan daya Semikonduktor peranti untuk aplikasi tertentu. Pada masa ini, memilih yang betul Semikonduktor adalah mencabar, kerana jurang dalam piawaian pencirian menghalang perbandingan komponen, terutamanya untuk semikonduktor kuasa pantas.
Kaedah dan persekitaran pencirikan untuk semikonduktor ditentukan dalam siri IEC 60747 [1] pada Semikonduktor peranti. Walau bagaimanapun, penerapan standard ini terhad ketika datang ke teknologi baru seperti SiC dan GaN. Dan bahkan untuk teknologi yang sudah mapan, pengesanan pengukuran kurang.
Selanjutnya, membuat simulasi semasa proses pemilihan sering kali dilakukan oleh pelanggan. Semikonduktor pengeluar harus memutuskan mana dari banyak alat simulasi yang ada yang ingin mereka modelkan. Sekiranya pelanggan mereka menggunakan alat yang berbeza dari yang mereka pilih, maka parametriisasi akan memerlukan usaha yang besar atau peranti tidak akan dipertimbangkan.
Projek Jerman yang dibiayai secara terbuka MessLeha menangani masalah ini dengan menentukan lembaran data yang dapat dibaca oleh mesin untuk menyokong penyediaan model simulasi. Projek ini juga akan mengembangkan kaedah pengukuran dan persekitaran untuk mengukur semikonduktor daya cepat.
Gambar 1: Gambaran keseluruhan projek MessLeha
Pembangunan Lembaran Data Digital
Untuk memenuhi keperluan untuk penukar kuasa, komponen individu mesti berinteraksi secara optimum dalam sistem yang kompleks. Untuk kuasa semikonduktor, pemilihan awal adalah berdasarkan nilai helaian data. Pada peringkat seterusnya, kriteria lanjut seperti kebolehhantaran ditambah. Sesetengah pengeluar semikonduktor kuasa menawarkan model untuk rantai alat tertentu, atau sedang dalam proses menyediakan langkah ini. Pada ketika ini, persoalan timbul sama ada ini adalah cara yang betul. Sekiranya pengeluar komponen membekalkan model hanya untuk rantai alat tertentu? Adakah terdapat model lain yang perlu dicipta dan diselenggara dalam jangka sederhana? Bagaimana dengan pelanggan/pengguna yang mempunyai penyelesaian berbeza yang digunakan? Bagaimana pula dengan akses pasaran untuk alat simulasi novel jika pengeluar menawarkan model untuk satu atau mungkin dua rantai alat tertentu? Adakah ini mungkin melambatkan inovasi teknikal?
Baik pengeluar, pemaju dan pengeluar kuasa semikonduktor elektronik sistem atau pengeluar alat simulasi boleh mempunyai minat dalam senario ini. Ini mewujudkan kebergantungan dan menghasilkan usaha yang tidak perlu. Pengenalan lembaran data yang dapat dibaca mesin dapat membantu pada ketika ini. Pengilang semikonduktor kuasa akan menyimpan nilai ciri seperti dalam lembaran data PDF semasa. Pengilang alat simulasi akan dengan cepat mengembangkan penyelesaian untuk mengimport dan memisahkan parameter komponen secara automatik, jika mereka mempunyai set data yang terkoordinasi. Selepas pengenalan lembaran data yang boleh dibaca oleh mesin, pembangun dapat menilai tingkah laku komponen tertentu dengan cepat. Bergantung pada kesediaan pengeluar semikonduktor tenaga untuk memberikan lebih banyak data daripada biasa dalam lembar data PDF semasa, mungkin dapat dibekalkan untuk memberikan data kebolehpercayaan atau pernyataan terkini mengenai penyampaian. Ini akan membolehkan pereka elektronik kuasa untuk lebih menyelaraskan proses pembangunan. Interaksi yang lebih cepat dan lebih sengit antara vendor peranti dan pelanggan mereka dapat difahami.
Kemungkinan besar pihak berkepentingan di atas akan mempunyai kepentingan dalam kandungan lembaran data yang dapat dibaca oleh mesin. Matlamat projek yang dinyatakan adalah untuk meneroka minat ini dan mengumpulkan sumbangan mereka dalam standard yang dipersetujui.
Gambar 2: Hari ini (kiri), hanya pelanggan dengan rantai alat yang sesuai yang dapat menggunakan model yang disediakan, sementara tujuan set data masa depan (kanan) adalah untuk menyediakan antara muka yang ditentukan sesuai untuk semua rantai alat.
Perkembangan Penyusunan Karakter Modular
Double Pulse Testing (DPT) adalah kaedah penting untuk pencirian dan perbandingan peranti kuasa. Pencirian biasanya dilakukan pada pengeluar peranti kuasa untuk membuat lembaran data dan model simulasi. Penilaian peranti perbandingan dilakukan oleh pelanggan peranti kuasa yang membuat keputusan strategik antara teknologi peranti dan pembungkusan. Untuk kedua-dua kes tersebut, peranti perlu diuji dalam penyusunan ciri yang meminimumkan kesan luaran terhadap prestasi peranti sejauh mungkin untuk mencapai hasil yang konsisten dan setanding. Dengan kemunculan semikonduktor Wide-Bandgap (WBG) baru seperti SiC mosfet, pautan dan sensor semasa, mengurangkan kapasititit parasit, pemacu yang cepat dan kuat dekat dengan peranti, dan lebar jalur yang mencukupi untuk voltan pengukuran dan juga untuk pengukuran semasa. Untuk aplikasi kuasa rendah, adalah biasa untuk meletakkan penyediaan DPT lengkap termasuk DUT pada satu PCB. Walau bagaimanapun, pada kuasa yang lebih tinggi, dan untuk portfolio produk yang lebih besar seperti biasa dalam kuasa modul perniagaan, pendekatan ini cenderung menjadi rumit. Oleh itu, pendekatan modular yang memisahkan persediaan lengkap kepada dua bahagian utama adalah berfaedah. Papan peranti, hanya membawa peranti itu sendiri dan pemacu pilihan, direka bentuk secara individu untuk kesesuaian terbaik bagi modul tertentu. Sebagai rakan sejawatannya, terdapat papan pautan DC yang mengandungi pautan DC aruhan rendah serta pengukuran arus aruhan rendah. Sudah tentu, kedua-dua papan ini perlu disambungkan oleh sambungan kearuhan rendah bersatu. Rajah 3 menunjukkan cadangan untuk papan sedemikian yang menawarkan sambungan kearuhan rendah mudah di sebelah kiri dan pautan DC dengan beberapa, penderia arus pilihan di sebelah kanan. Papan ini bertujuan untuk menempatkan sama ada pengubah arus denyut, susunan shunt planar atau gegelung Rogowski.
Gambar 3: Papan pautan DC dengan antara muka aruhan rendah [dilindungi e-mel]
Perbandingan Prinsip Pengukuran
Oleh kerana masa peralihan pantas semikonduktor Wide-Bandgap, seperti SiC dan GaN, keperluan peralatan untuk pengukuran kehilangan pensuisan meningkat dengan cepat berbanding dengan peranti silikon.
Universiti Stuttgart dengan Institut untuk Pemacu Elektronik dan Elektrik Tenaga (ILEA) dan Sistem Semikonduktor Tenaga Kuat (ILH) sedang berusaha memperbaiki dan mencirikan persediaan pengukuran untuk penentuan kerugian pertukaran Wide-Bandgap. Untuk tujuan ini, Ujian Pulse Berganda terkini yang ada telah diperbaiki oleh sensor arus baru dan pencirian ketepatan tinggi arus dan voltan probe berkenaan dengan tingkah laku frekuensi, iaitu lebar jalur. Selanjutnya, pengaruh parasit dalam penyediaan, seperti induktansi sesat, akan dipertimbangkan. Hasilnya disahkan dengan bantuan pengukuran kalorimetri yang sangat tepat, menggunakan fasa pemanasan untuk hasil kehilangan pertukaran cepat di beberapa titik operasi.
Sejajar dengan itu, Institut Metrologi Nasional Jerman (PTB) sedang mengembangkan kaedah untuk mengukur kehilangan peralihan dengan sistem pengukuran pensampelan. Dengan kaedah ini, voltan dan arus akan direkodkan dengan tepat semasa waktu beralih. Untuk tujuan ini, pembahagi voltan dan pintasan pertama perlu dicirikan. Cabaran lain adalah pembetulan masa antara dua isyarat yang dirakam. Kedua-dua faktor ini memastikan ketepatan kehilangan pengalihan yang dikira.
Gambar 4: Modul kuasa sebagai DUT dan pelbagai aspek perubahan ciri kehilangan dalam projek ini (tengah). Sensor arus novel berdasarkan prinsip HOKA untuk pengukuran arus tepat [2] (kiri atas). Penyediaan pengukuran kalori untuk semikonduktor kuasa diskrit Wide-Bandgap [3] (kanan atas). Pencirian lebar jalur untuk shunt dengan penjana denyut saluran penghantaran (PTB) (kiri bawah). Pemodelan tepat dan pengiraan ralat pengukuran kalorimetrik dan elektrikal untuk pengiraan tahap kepercayaan [4] (kiri bawah).
Selepas fasa pengembangan ketiga kaedah, perbandingan akan dilakukan antara semua kaedah. Ketidakpastian pengukuran sistem juga akan ditentukan.
Penyeragaman dalam IEC - dan Cara Berpartisipasi
Projek MessLeha bertujuan untuk membangunkan persekitaran pengukuran piawai dan helaian data boleh dibaca mesin untuk menyokong pembangunan sistem elektronik kuasa yang lebih lancar. Ini hanya boleh dicapai jika penyelesaian dikemas kini secara meluas. Pada akhir projek pada Disember 2021, dua draf akan dicadangkan kepada DKE, Suruhanjaya Elektrik Jerman, Elektronik & Teknologi Maklumat dalam DIN dan VDE. Setelah diluluskan, draf ini kemudiannya akan dicadangkan kepada Jawatankuasa Teknikal TC 47 “Peranti Semikonduktor” Suruhanjaya Elektroteknikal Antarabangsa IEC.
Cadangan untuk pindaan siri IEC 60747 akan menangani kekurangan pengukuran semasa pengukuran. Ini juga akan memastikan bahawa Ujian Pulse Berganda juga berlaku untuk semikonduktor SiC dan GaN yang baru. Cadangan kedua akan menentukan lembaran data yang boleh dibaca oleh mesin.
Pada 4 Mac 2021, projek MessLeha akan mengadakan bengkel dalam talian untuk mengumpulkan maklum balas daripada pihak berkepentingan. Selama dua sesi pelarian khusus, rakan kongsi projek akan membincangkan dengan peserta mengenai keperluan mereka untuk parametriisasi model dan simulasi serta persekitaran pengukuran.
Input yang dikumpulkan selama sesi ini akan dimasukkan dalam kerja yang sedang berjalan dan cadangan standardisasi yang dihasilkan. Sekiranya anda berminat untuk mengambil bahagian, anda boleh mengetahui lebih lanjut mengenai kandungan dan pendaftaran bengkel di laman web yang disediakan di akhir artikel ini.
Pautan Laman Web
Rujukan:
[1] Piawaian berikut bagi siri IEC 60747 yang berkaitan: IEC 60747-8 Peranti semikonduktor – Peranti diskret – Bahagian 8: Transistor kesan medan IEC 60747-9 Peranti semikonduktor – Bahagian 9: Peranti diskret – Transistor bipolar pintu bertebat (IGBTs) IEC 60747-15 Peranti semikonduktor - Peranti diskret - Bahagian 15: Peranti semikonduktor kuasa terpencil
[2] P. Ziegler, N. Tröster, D. Schmidt, J. Ruthardt, M. Fischer dan J. Roth-Stielow, "Sensor Arus Lebar Lebar Lebar untuk Pengukuran Arus Peralihan dalam Elektronik Daya Beralih Cepat" di EPE'20 ECCE Europe : Persidangan Eropah ke-22 mengenai Elektronik dan Aplikasi Tenaga, Lyon, 2020
[3] J. Weimer dan I. Kallfass, "Kerugian Beralih Lembut dalam Transistor Kuasa GaN dan SiC Berdasarkan Pengukuran Kalorimetrik Baru," Simposium Antarabangsa ke-2019 pada Peranti dan IC Semikonduktor Kuasa (ISPSD), Shanghai, China, 31, hlm. .2019-455, doi: 458 / ISPSD.10.1109.
[4] D. Koch, S. Araujo dan I. Kallfass, "Analisis Ketepatan Pengukuran Kehilangan Kalorimetrik untuk Penanda Aras Lebar Bandgap Power Transistor di bawah Operasi Peralihan Lembut," 2019 Bengkel IEEE mengenai Peranti dan Aplikasi Kuasa Lebar Bandgap di Asia (WiPDA Asia ), Taipei, Taiwan, 2019, hlm. 1-6, doi: 10.1109 / WiPDAAsia.2019.8760332.