In de afgelopen jaren is de vraag naar stroom toegenomen elektronische systems is gestaag gegroeid. Tegelijkertijd worden fabrikanten geconfronteerd met een toenemende behoefte om het vermogen aan te passen Halfgeleider apparaten voor specifieke toepassingen. Momenteel selecteert u het juiste Halfgeleider is een uitdaging, aangezien hiaten in karakteriseringsnormen de vergelijkbaarheid van componenten, vooral voor snelle vermogenshalfgeleiders.
Karakteriseringsmethoden en omgevingen voor halfgeleiders zijn gedefinieerd in de IEC 60747-serie [1] op Halfgeleider apparaten. De toepassing van deze standaarden is echter beperkt als het gaat om nieuwe technologieën zoals SiC en GaN. En zelfs voor de gevestigde technologieën ontbreekt het aan de traceerbaarheid van metingen.
Bovendien is het opzetten van een simulatie tijdens het selectieproces voor de klant vaak omslachtig. Halfgeleider fabrikanten moeten beslissen welke van de vele beschikbare simulatietools ze willen modelleren. Als hun klanten een andere tool gebruiken dan degene die ze hebben geselecteerd, zal parametrisering aanzienlijke inspanningen vergen, anders wordt het apparaat niet in overweging genomen.
Het Duitse, door de overheid gefinancierde project MessLeha lost dit probleem op door een machinaal leesbaar gegevensblad te definiëren ter ondersteuning van het opzetten van simulatiemodellen. Het project zal ook een meetmethode en omgeving ontwikkelen voor het meten van snelle vermogenshalfgeleiders.
Figuur 1: Overzicht van het project MessLeha
Ontwikkeling van een digitaal gegevensblad
Om aan de eisen voor een stroomomvormer te voldoen, moeten afzonderlijke componenten in een complex systeem optimaal samenwerken. Voor de kracht halfgeleider, is een eerste selectie gebaseerd op gegevensbladwaarden. In een later stadium worden verdere criteria zoals deliverability toegevoegd. Sommige fabrikanten van vermogenshalfgeleiders bieden modellen aan voor bepaalde gereedschapsketens, of zijn bezig met de voorbereiding van deze stap. Op dit punt rijst de vraag of dit de juiste weg is. Moet een fabrikant van een onderdeel alleen een model leveren voor een specifieke gereedschapsketen? Zijn er op de middellange termijn nog andere modellen te creëren en te onderhouden? Hoe zit het met klanten/gebruikers die een andere oplossing in gebruik hebben? Hoe zit het met de markttoegang voor nieuwe simulatietools als fabrikanten modellen aanbieden voor één of misschien twee specifieke toolketens? Vertraagt dit misschien zelfs de technische innovatie?
Noch halfgeleiderfabrikanten, noch ontwikkelaars en producenten van stroom elektronische systemen noch fabrikanten van simulatietools kunnen in dit scenario belang hebben. Het creëert afhankelijkheden en genereert onnodige inspanningen. De introductie van een machinaal leesbaar gegevensblad zou op dit punt nuttig kunnen zijn. De fabrikanten van vermogenshalfgeleiders slaan karakteristieke waarden op zoals in de huidige pdf-datasheet. Fabrikanten van simulatietools zouden zeer snel een oplossing ontwikkelen voor het importeren en automatisch parametriseren van componentmodellen, als ze over zo'n gecoördineerde dataset zouden beschikken. Na de introductie van de machineleesbare datasheet zouden ontwikkelaars het gedrag van een specifiek onderdeel zeer snel kunnen beoordelen. Afhankelijk van de bereidheid van de fabrikanten van vermogenshalfgeleiders om meer gegevens te verstrekken dan normaal in een huidig pdf-gegevensblad, zou het zelfs denkbaar zijn om betrouwbaarheidsgegevens of dagelijks bijgewerkte verklaringen over afleverbaarheid te verstrekken. Dit zou ontwerpers van vermogenselektronica in staat stellen het ontwikkelingsproces verder te stroomlijnen. Een snellere en intensere interactie tussen apparaatverkopers en hun klanten wordt denkbaar.
Het is zeer waarschijnlijk dat de bovengenoemde belanghebbenden een gevestigd belang hebben bij de inhoud van een machinaal leesbaar gegevensblad. Het verklaarde doel van het project is om deze interesse te onderzoeken en hun bijdrage samen te brengen in een overeengekomen standaard.
Figuur 2: Tegenwoordig (links) kunnen alleen klanten met de juiste toolchains de verstrekte modellen gebruiken, terwijl het doel van toekomstige datasets (rechts) is om een gedefinieerde interface te bieden die geschikt is voor alle toolchains.
Ontwikkeling van een modulaire karakteriseringsopstelling
Double Pulse Testing (DPT) is een belangrijke methode voor het karakteriseren en vergelijken van vermogensapparaten. Karakterisering wordt meestal gedaan bij de fabrikant van het stroomapparaat om gegevensbladen en simulatiemodellen te maken. Vergelijkende apparaatevaluatie wordt uitgevoerd door klanten van krachtige apparaten die strategische beslissingen voorbereiden tussen apparaat- en verpakkingstechnologieën. In beide gevallen moeten de apparaten worden getest in een karakteriseringsopstelling die de externe impact op de apparaatprestaties zoveel mogelijk minimaliseert om consistente en vergelijkbare resultaten te verkrijgen. Met de opkomst van nieuwe Wide-Bandgap (WBG) halfgeleiders zoals SiC mosfets, link en stroomsensor, waardoor parasitaire capaciteiten worden verminderd, een snelle en sterke driver dicht bij het apparaat en voldoende bandbreedte voor spanning zowel voor meting als voor stroommeting. Voor toepassingen met laag vermogen is het vrij gebruikelijk om de volledige DPT-opstelling inclusief de DUT op één te plaatsen pcb. Echter bij een hoger vermogen en voor een groter productportfolio zoals gebruikelijk bij het vermogen module In het bedrijfsleven wordt deze aanpak vaak omslachtig. Daarom is een modulaire aanpak, waarbij de volledige opstelling in twee hoofddelen wordt verdeeld, voordelig. Een apparaatbord, dat alleen het apparaat zelf en een optionele driver bevat, is individueel ontworpen voor de beste pasvorm voor de specifieke module. Als tegenhanger is er een DC-tussenkringbord met een DC-tussenkring met lage inductie en een stroommeting met lage inductie. Uiteraard moeten deze twee borden met elkaar worden verbonden via een uniforme verbinding met lage inductie. Figuur 3 toont een voorstel voor een dergelijk bord met links een eenvoudige laag-inductie-aansluiting en rechts een DC-tussenkring met meerdere optionele stroomsensoren. Dit bord is bedoeld voor het huisvesten van een pulsstroomtransformator, een planaire shuntinrichting of een Rogowski-spoel.
Figuur 3: DC-link-kaart met interface met lage inductantie [beveiligd via e-mail]
Vergelijking van meetprincipes
Vanwege de snelle schakeltijden van Wide-Bandgap-halfgeleiders, zoals SiC en GaN, worden de eisen die aan de apparatuur voor het meten van schakelverliezen worden gesteld snel hoger in vergelijking met siliciumapparaten.
De Universiteit van Stuttgart met haar Institutes for Power Electronics and Electrical Drives (ILEA) en Robust Power Semiconductor Systems (ILH) werkt daarom aan het verbeteren en karakteriseren van meetopstellingen voor het bepalen van breedbandgap-schakelverlies. Voor dit doel is de bestaande state-of-the-art Double Pulse Test verbeterd door nieuwe stroomsensoren en zeer nauwkeurige karakterisering van stroom en spanning sondes met betrekking tot frequentiegedrag, dwz bandbreedte. Verder wordt er rekening gehouden met de invloed van de parasieten in de opstelling, zoals strooilinductie. De resultaten worden geverifieerd met behulp van zeer nauwkeurige calorimetrische metingen, waarbij de opwarmfase wordt gebruikt voor snelle schakelverliezen op verschillende bedrijfspunten.
Parallel daaraan ontwikkelt het Nationaal Metrologisch Instituut van Duitsland (PTB) een methode om de schakelverliezen te meten met een bemonsteringsmeetsysteem. Met deze methode kan de spanning en de stroom wordt nauwkeurig geregistreerd tijdens de schakeltijd. Hiervoor moeten eerst de spanningsdeler en de shunt worden gekarakteriseerd. Een andere uitdaging is de tijdcorrectie tussen de twee geregistreerde signalen. Deze twee factoren zorgen voor de nauwkeurigheid van de berekende schakelverliezen.
Figuur 4: Vermogensmodule als DUT en de verschillende facetten van karakterisering van schakelverliezen in dit project (midden). Nieuwe stroomsensor gebaseerd op het HOKA-principe voor nauwkeurige stroommeting [2] (linksboven). Calorimetrische meetopstelling voor discrete vermogenshalfgeleiders met brede bandafstand [3] (rechtsboven). Bandbreedtekarakterisering voor een shunt met een transmissielijnpulsgenerator (PTB) (linksonder). Nauwkeurige modellering en foutberekening van calorimetrische en elektrische metingen voor het berekenen van het vertrouwensniveau [4] (linksonder).
Na de ontwikkelingsfase van de drie methoden wordt een vergelijking gemaakt tussen alle methoden. Ook wordt de meetonzekerheid van de systemen bepaald.
Standaardisatie in IEC - en hoe deel te nemen
Het project MessLeha heeft tot doel een gestandaardiseerde meetomgeving en machinaal leesbare datasheets te ontwikkelen ter ondersteuning van een soepelere ontwikkeling van vermogenselektronische systemen. Dit kan alleen worden bereikt als de oplossing uitgebreid wordt bijgewerkt. Aan het einde van het project in december 2021 zullen twee concepten worden voorgesteld aan DKE, de Duitse commissie voor elektriciteit, elektronisch & Informatietechnologie in DIN en VDE. Na goedkeuring zullen deze ontwerpen vervolgens worden voorgelegd aan de Technische Commissie TC 47 “Semiconductor devices” van de Internationale Elektrotechnische Commissie IEC.
Een voorstel voor een wijziging van de IEC 60747-serie zal het huidige gebrek aan traceerbaarheid van metingen aanpakken. Het zal er bovendien voor zorgen dat de Double Pulse Test ook van toepassing zal zijn op de nieuwe SiC- en GaN-halfgeleiders. Het tweede voorstel definieert het machineleesbare gegevensblad.
Op 4 maart 2021 zal het project MessLeha een online workshop houden om feedback van belanghebbenden te verzamelen. Tijdens twee speciale breakout-sessies bespreken de projectpartners met de deelnemers hun vereisten voor de parametrisering en simulaties van apparaatmodellen en voor de meetomgeving.
De input die tijdens deze sessies wordt verzameld, zal worden meegenomen in de lopende werkzaamheden en de daaruit voortvloeiende standaardisatievoorstellen. Als u geïnteresseerd bent om deel te nemen, kunt u meer lezen over de inhoud van de workshop en de registratie op de website aan het einde van dit artikel.
Website Link
Referenties:
[1] Relevant zijn de volgende normen van de IEC 60747-serie: IEC 60747-8 Halfgeleiderapparaten – Discrete apparaten – Deel 8: Veldeffecttransistors IEC 60747-9 Halfgeleiderapparaten – Deel 9: Discrete apparaten – Bipolaire transistors met geïsoleerde poort (IGBTs) IEC 60747-15 Halfgeleiderapparaten – Discrete apparaten – Deel 15: Geïsoleerde vermogenshalfgeleiderapparaten
[2] P. Ziegler, N. Tröster, D. Schmidt, J. Ruthardt, M. Fischer en J. Roth-Stielow, "Wide Bandwidth Current Sensor for Commutation Current Measurement in Fast Switching Power Electronics" in EPE'20 ECCE Europe : 22e Europese conferentie over vermogenselektronica en toepassingen, Lyon, 2020
[3] J. Weimer en I. Kallfass, "Soft-Switching Losses in GaN and SiC Power Transistors Based on New Calorimetric Measurements", 2019st International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), Shanghai, China, 31, pp. . 2019-455, doi: 458 / ISPSD.10.1109.
[4] D. Koch, S. Araujo en 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, blz. 1-6, doi: 10.1109 / WiPDAAsia.2019.8760332.