Nos últimos anos, a demanda por energia Cartão sistemas tem crescido constantemente. Ao mesmo tempo, os fabricantes enfrentam uma necessidade cada vez maior de personalizar a energia Semicondutores dispositivos para aplicações específicas. Atualmente, selecionando o direito Semicondutores é um desafio, pois lacunas nos padrões de caracterização impedem a comparabilidade de componentes, especialmente para semicondutores de potência rápida.
Métodos de caracterização e ambientes para semicondutores são definidos na série IEC 60747 [1] em Semicondutores dispositivos. No entanto, a aplicação desses padrões é limitada quando se trata de novas tecnologias como SiC e GaN. E mesmo para as tecnologias estabelecidas, falta rastreabilidade das medições.
Além disso, configurar uma simulação durante o processo de seleção costuma ser trabalhoso do lado do cliente. Semicondutores os fabricantes precisam decidir qual das muitas ferramentas de simulação disponíveis eles desejam modelar. Se seus clientes usam uma ferramenta diferente das que selecionaram, a parametrização exigirá um esforço considerável ou o dispositivo não será considerado.
O projeto alemão, com financiamento público MessLeha, aborda esse problema definindo uma planilha de dados legível por máquina para apoiar a configuração de modelos de simulação. O projeto também desenvolverá um método e ambiente de medição para medir semicondutores de potência rápida.
Figura 1: Visão geral do projeto MessLeha
Desenvolvimento de uma Folha de Dados Digital
Para atender aos requisitos de um conversor de potência, os componentes individuais devem interagir de forma otimizada em um sistema complexo. Para o poder Semicondutor, uma seleção inicial é baseada nos valores da planilha de dados. Numa fase posterior, são adicionados outros critérios, como a capacidade de entrega. Alguns fabricantes de semicondutores de potência oferecem modelos para determinados conjuntos de ferramentas ou estão no processo de preparação desta etapa. Neste ponto, surge a questão se este é o caminho certo. Um fabricante de um componente deve fornecer um modelo apenas para um conjunto de ferramentas específico? Existem outros modelos a serem criados e mantidos no médio prazo? E os clientes/usuários que possuem uma solução diferente em uso? E quanto ao acesso ao mercado para novas ferramentas de simulação se os fabricantes oferecerem modelos para um ou talvez dois conjuntos de ferramentas específicos? Será que isso talvez desacelere a inovação técnica?
Nem fabricantes de semicondutores, desenvolvedores e fabricantes de energia Cartão sistemas nem fabricantes de ferramentas de simulação podem ter interesse neste cenário. Ele cria dependências e gera esforço desnecessário. A introdução de uma folha de dados legível por máquina pode ser útil neste ponto. Os fabricantes de semicondutores de potência armazenariam valores característicos como na folha de dados PDF atual. Os fabricantes de ferramentas de simulação desenvolveriam muito rapidamente uma solução para importar e parametrizar automaticamente modelos de componentes, se tivessem esse conjunto de dados coordenado. Após a introdução da folha de dados legível por máquina, os desenvolvedores seriam capazes de avaliar o comportamento de um componente específico muito rapidamente. Dependendo da disposição dos fabricantes de semicondutores de potência em fornecer mais dados do que o normal em uma folha de dados PDF atual, seria até concebível fornecer dados de confiabilidade ou declarações atualizadas diariamente sobre capacidade de entrega. Isso permitiria aos projetistas de eletrônicos de potência agilizar ainda mais o processo de desenvolvimento. Uma interação mais rápida e intensa entre os fornecedores de dispositivos e seus clientes torna-se concebível.
É altamente provável que as partes interessadas acima mencionadas tenham interesse no conteúdo de uma folha de dados legível por máquina. O objetivo declarado do projeto é explorar esse interesse e reunir suas contribuições em um padrão acordado.
Figura 2: Hoje (à esquerda), apenas clientes com conjuntos de ferramentas apropriados podem usar os modelos fornecidos, enquanto o objetivo dos conjuntos de dados futuros (à direita) é fornecer uma interface definida adequada para todos os conjuntos de ferramentas.
Desenvolvimento de uma configuração de caracterização modular
O Teste de Pulso Duplo (DPT) é um método importante para caracterização e comparação de dispositivos de energia. A caracterização geralmente é feita no fabricante do dispositivo de energia para criar planilhas de dados e modelos de simulação. A avaliação comparativa de dispositivos é realizada por clientes de dispositivos de energia que preparam decisões estratégicas entre dispositivos e tecnologias de embalagem. Para ambos os casos, os dispositivos precisam ser testados em uma configuração de caracterização que minimiza o impacto externo no desempenho do dispositivo, tanto quanto possível, para obter resultados consistentes e comparáveis. Com o surgimento de novos semicondutores Wide-Bandgap (WBG) como o SiC mosfet, link e sensor de corrente, reduzindo as capacitâncias parasitas, um driver rápido e forte próximo ao dispositivo e largura de banda suficiente para Voltagem medição, bem como para medição de corrente. Para aplicações de baixa energia, é bastante comum colocar a configuração DPT completa, incluindo o DUT em um único PCB. No entanto, em potências mais altas e para um portfólio de produtos maior, como é comum no setor de potência módulo negócios, essa abordagem tende a se tornar complicada. Conseqüentemente, uma abordagem modular separando a configuração completa em duas partes principais é vantajosa. Uma placa de dispositivo, contendo apenas o próprio dispositivo e um driver opcional, é projetada individualmente para o melhor ajuste do módulo específico. Como contrapartida, existe uma placa de link CC contendo um link CC de baixa indutância, bem como uma medição de corrente de baixa indutância. Claro, essas duas placas precisam ser conectadas por uma conexão unificada de baixa indutância. A Figura 3 mostra uma proposta para tal placa oferecendo uma conexão simples de baixa indutância à esquerda e um link CC com vários sensores de corrente opcionais à direita. Esta placa destina-se a abrigar um transformador de corrente de pulso, um arranjo de derivação planar ou uma bobina de Rogowski.
Figura 3: Placa DC-link com interface de baixa indutância [protegido por e-mail]
Comparação de Princípios de Medição
Devido aos tempos de comutação rápidos de semicondutores Wide-Bandgap, como SiC e GaN, os requisitos do equipamento para as medições de perda de comutação estão aumentando rapidamente em comparação com dispositivos de silício.
A Universidade de Stuttgart com seus Institutos de Eletrônica de Potência e Drives Elétricos (ILEA) e Robust Power Semiconductor Systems (ILH) está, portanto, trabalhando no aprimoramento e na caracterização de configurações de medição para determinação de perda de comutação Wide-Bandgap. Para este propósito, o estado da arte existente no Teste de Pulso Duplo foi aprimorado por novos sensores de corrente e caracterização de alta precisão de corrente e Voltagem sondas no que diz respeito ao comportamento da frequência, ou seja, largura de banda. Além disso, a influência dos parasitas na configuração, como a indutância parasita, será levada em consideração. Os resultados são verificados com a ajuda de medições calorimétricas de alta precisão, utilizando a fase de aquecimento para resultados de perda de comutação rápida em vários pontos de operação.
Paralelamente, o Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha (PTB) está desenvolvendo um método para medir as perdas de comutação com um sistema de medição por amostragem. Com este método, o Voltagem e a corrente será registrada precisamente durante o tempo de comutação. Para isso, primeiro é necessário caracterizar o divisor de tensão e o shunt. Outro desafio é a correção do tempo entre os dois sinais gravados. Esses dois fatores garantem a precisão das perdas de comutação calculadas.
Figura 4: Módulo de potência como DUT e as diferentes facetas da caracterização da perda de comutação neste projeto (meio). Novo sensor de corrente baseado no princípio HOKA para medição precisa de corrente [2] (canto superior esquerdo). Configuração de medição calorimétrica para semicondutores de potência discreta Wide-Bandgap [3] (canto superior direito). Caracterização da largura de banda para um shunt com um gerador de pulso de linha de transmissão (PTB) (canto inferior esquerdo). Modelagem precisa e cálculo de erro de medições calorimétricas e elétricas para cálculo de nível de confiança [4] (canto inferior esquerdo).
Após a fase de desenvolvimento dos três métodos, será realizada uma comparação entre todos os métodos. A incerteza de medição dos sistemas também será determinada.
Padronização em IEC - e como participar
O projeto MessLeha visa desenvolver um ambiente de medição padronizado e uma folha de dados legível por máquina para apoiar um desenvolvimento mais suave de sistemas eletrônicos de potência. Isto só pode ser alcançado se a solução for amplamente atualizada. No final do projeto, em dezembro de 2021, dois projetos serão propostos à DKE, a Comissão Alemã de Energia Elétrica, Eletrônico & Tecnologias de Informação em DIN e VDE. Após a aprovação, esses projetos serão propostos ao Comitê Técnico TC 47 “Dispositivos semicondutores” da Comissão Eletrotécnica Internacional IEC.
Uma proposta de alteração da série IEC 60747 tratará da atual falta de rastreabilidade das medições. Além disso, irá certificar-se de que o Teste de Pulso Duplo será aplicável aos novos semicondutores de SiC e GaN também. A segunda proposta definirá a ficha de dados legível por máquina.
Em 4 de março de 2021, o projeto MessLeha realizará um workshop online para coletar feedback das partes interessadas. Durante duas sessões de breakout dedicadas, os parceiros do projeto discutirão com os participantes seus requisitos para parametrização e simulações de modelos de dispositivos, bem como para o ambiente de medição.
As contribuições coletadas durante essas sessões serão incluídas no trabalho em andamento e nas propostas de padronização resultantes. Caso tenha interesse em participar, saiba mais sobre o conteúdo do workshop e inscrições no site disponibilizado ao final deste artigo.
Link do Site
Referências:
[1] São relevantes as seguintes normas da série IEC 60747: IEC 60747-8 Dispositivos semicondutores – Dispositivos discretos – Parte 8: Transistores de efeito de campo IEC 60747-9 Dispositivos semicondutores – Parte 9: Dispositivos discretos – Transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) IEC 60747-15 Dispositivos semicondutores – Dispositivos discretos – Parte 15: Dispositivos semicondutores de potência isolados
[2] P. Ziegler, N. Tröster, D. Schmidt, J. Ruthardt, M. Fischer e J. Roth-Stielow, "Wide Bandwidth Current Sensor for Commutation Current Measurement in Fast Switching Power Electronics" in EPE'20 ECCE Europa : 22ª Conferência Europeia sobre Eletrônica de Potência e Aplicações, Lyon, 2020
[3] J. Weimer e I. Kallfass, "Soft-Switching Losses in GaN and SiC Power Transistors Based on New Calorimetric Measurements", 2019 31st International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), Xangai, China, 2019, pp . 455-458, doi: 10.1109 / ISPSD.2019.8757650.
[4] D. Koch, S. Araujo e I. Kallfass, "Análise de precisão da medição de perda calorimétrica para benchmarking Wide Bandgap Power Transistors under Soft-Switching Operation," 2019 IEEE Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications in Asia (WiPDA Ásia ), Taipei, Taiwan, 2019, pp. 1-6, doi: 10.1109 / WiPDAAsia.2019.8760332.