В последние годы спрос на электроэнергию электронный систем неуклонно растет. В то же время производители столкнулись с растущей потребностью настраивать мощность. Полупроводниковое устройства для конкретных приложений. В настоящее время выбирая нужную Полупроводниковое является сложной задачей, поскольку пробелы в стандартах характеристик препятствуют сопоставимости компоненты, особенно для быстрых силовых полупроводников.
Методы определения характеристик и условия окружающей среды для полупроводников определены в серии стандартов IEC 60747 [1] на Полупроводниковое устройств. Однако применение этих стандартов ограничено, когда речь идет о новых технологиях, таких как SiC и GaN. И даже для устоявшихся технологий отсутствует прослеживаемость измерений.
Кроме того, настройка моделирования во время процесса выбора часто бывает трудоемкой для клиента. Полупроводниковое производители должны решить, какой из множества доступных инструментов моделирования они хотят смоделировать. Если их клиенты используют инструмент, отличный от тех, которые они выбрали, параметризация потребует значительных усилий, иначе устройство не будет рассматриваться.
Немецкий проект MessLeha, финансируемый государством, решает эту проблему, определяя машиночитаемый лист данных для поддержки настройки имитационных моделей. В рамках проекта также будут разработаны метод измерения и среда для измерения быстрых силовых полупроводников.
Рисунок 1: Обзор проекта MessLeha
Разработка цифрового паспорта
Чтобы соответствовать требованиям, предъявляемым к преобразователю мощности, отдельные компоненты должны оптимально взаимодействовать в сложной системе. Для власти полупроводник, первоначальный выбор основан на значениях из паспортных данных. На более позднем этапе добавляются дополнительные критерии, такие как доставляемость. Некоторые производители силовых полупроводников предлагают модели для определенных наборов инструментов или находятся в процессе подготовки к этому этапу. В этот момент возникает вопрос, правильный ли это путь. Должен ли производитель компонента поставлять модель только для определенной цепочки инструментов? Существуют ли другие модели, которые необходимо создавать и поддерживать в среднесрочной перспективе? А как насчет клиентов/пользователей, которые используют другое решение? А как насчет доступа к рынку новых инструментов моделирования, если производители предлагают модели для одной или, возможно, двух конкретных цепочек инструментов? Возможно, это даже замедляет технические инновации?
Ни производители полупроводников, ни разработчики, ни производители питания электронный системы, ни производители инструментов моделирования не могут быть заинтересованы в этом сценарии. Это создает зависимости и требует ненужных усилий. На этом этапе может оказаться полезным введение машиночитаемой таблицы данных. Производители силовых полупроводников будут хранить характеристические значения, как в текущем техническом паспорте PDF. Производители инструментов моделирования очень быстро разработали бы решение для импорта и автоматической параметризации моделей компонентов, если бы у них был такой согласованный набор данных. После появления машиночитаемой таблицы данных разработчики смогут очень быстро оценить поведение конкретного компонента. В зависимости от желания производителей силовых полупроводников предоставить больше данных, чем обычно, в текущем техническом описании в формате PDF, было бы возможно даже предоставить данные о надежности или ежедневно обновляемые заявления о доставке. Это позволит разработчикам силовой электроники еще больше упростить процесс разработки. Становится возможным более быстрое и интенсивное взаимодействие между поставщиками устройств и их клиентами.
Весьма вероятно, что вышеупомянутые заинтересованные стороны будут заинтересованы в содержании машиночитаемой таблицы данных. Заявленная цель проекта - изучить этот интерес и объединить их вклад в согласованный стандарт.
Рисунок 2: Сегодня (слева) только клиенты с соответствующими цепочками инструментов могут использовать предоставленные модели, в то время как цель будущих наборов данных (справа) - предоставить определенный интерфейс, подходящий для всех цепочек инструментов.
Разработка модульной установки характеристик
Двойной импульсный тест (DPT) - важный метод определения характеристик и сравнения силовых устройств. Определение характеристик обычно проводится на заводе-изготовителе силового устройства для создания таблиц данных и имитационных моделей. Сравнительная оценка устройств выполняется заказчиками силовых устройств, которые подготавливают стратегические решения между технологиями устройства и упаковки. В обоих случаях устройства необходимо тестировать в такой настройке, которая сводит к минимуму внешнее воздействие на производительность устройства, насколько это возможно, для получения согласованных и сопоставимых результатов. С появлением новых полупроводников с широкой запрещенной зоной (WBG), таких как SiC МОП-транзисторы, датчик связи и тока, уменьшение паразитных емкостей, быстрый и мощный драйвер рядом с устройством и достаточная пропускная способность для напряжение измерения, а также для измерения тока. Для приложений с низким энергопотреблением довольно часто размещают полную установку DPT, включая DUT, на одном печатная плата. Однако при более высокой мощности и для более широкого портфеля продуктов, как это обычно бывает в мощных модуль В бизнесе этот подход имеет тенденцию становиться громоздким. Следовательно, модульный подход, разделяющий всю установку на две основные части, является предпочтительным. Плата устройства, содержащая только само устройство и дополнительный драйвер, разрабатывается индивидуально для наилучшего соответствия конкретному модулю. В качестве аналога имеется плата звена постоянного тока, содержащая звено постоянного тока с малой индуктивностью, а также устройство измерения тока с малой индуктивностью. Разумеется, эти две платы необходимо соединить единым малоиндуктивным соединением. На рис. 3 показан вариант такой платы, предлагающий простое соединение с низкой индуктивностью слева и звено постоянного тока с несколькими дополнительными датчиками тока справа. Эта плата предназначена для размещения импульсного трансформатора тока, планарного шунта или катушки Роговского.
Рис. 3. Плата промежуточного контура с интерфейсом с низкой индуктивностью [электронная почта защищена]
Сравнение принципов измерения
Из-за короткого времени переключения широкозонных полупроводников, таких как SiC и GaN, требования к оборудованию для измерения потерь переключения быстро возрастают по сравнению с кремниевыми устройствами.
Поэтому Штутгартский университет со своими институтами силовой электроники и электроприводов (ILEA) и надежных силовых полупроводниковых систем (ILH) работает над улучшением и характеристикой измерительных установок для определения потерь при переключении в широкой запрещенной зоне. С этой целью существующий современный тест двойным импульсом был улучшен новыми датчиками тока и высокоточным измерением тока и напряжение зонды в отношении частотного поведения, т. е. полосы пропускания. Кроме того, будет приниматься во внимание влияние паразитных факторов в установке, таких как паразитная индуктивность. Результаты проверяются с помощью высокоточных калориметрических измерений с использованием фазы нагрева для быстрого получения результатов потерь переключения в нескольких точках работы.
Параллельно с этим Национальный метрологический институт Германии (PTB) разрабатывает метод измерения коммутационных потерь с помощью системы измерения выборки. С помощью этого метода напряжение и ток будет записан точно во время переключения. Для этого сначала необходимо охарактеризовать делитель напряжения и шунт. Другой проблемой является временная коррекция между двумя записанными сигналами. Эти два фактора обеспечивают точность расчетных потерь переключения.
Рисунок 4: Силовой модуль как DUT и различные аспекты характеристики потерь переключения в этом проекте (в центре). Новый датчик тока, основанный на принципе HOKA для точного измерения тока [2] (вверху слева). Установка для калориметрических измерений для широкозонных дискретных силовых полупроводников [3] (вверху справа). Характеристики полосы пропускания для шунта с генератором импульсов линии передачи (PTB) (внизу слева). Точное моделирование и расчет погрешности калориметрических и электрических измерений для расчета уровня доверия [4] (внизу слева).
После этапа разработки трех методов будет выполнено сравнение всех методов. Также будет определена неопределенность измерений систем.
Стандартизация в МЭК - и как принять участие
Проект MessLeha направлен на разработку стандартизированной среды измерений и машиночитаемых таблиц данных для обеспечения более плавного развития систем силовой электроники. Этого можно достичь только в том случае, если решение будет тщательно обновлено. По завершении проекта в декабре 2021 года два проекта будут предложены DKE, Немецкой комиссии по электротехнике. Электронный & Информационные технологии в DIN и VDE. После одобрения эти проекты будут затем предложены Техническому комитету ТК 47 «Полупроводниковые приборы» Международной электротехнической комиссии IEC.
Предложение о внесении поправки в серию стандартов IEC 60747 направлено на решение проблемы отсутствия прослеживаемости измерений в настоящее время. Кроме того, он гарантирует, что тест двойным импульсом будет применим и к новым полупроводникам SiC и GaN. Второе предложение будет определять машиночитаемый лист данных.
4 марта 2021 года проект MessLeha проведет онлайн-семинар для сбора отзывов от заинтересованных сторон. Во время двух секционных сессий партнеры по проекту обсудят с участниками свои требования к параметризации и моделированию модели устройства, а также к среде измерения.
Вклад, собранный в ходе этих сессий, будет включен в текущую работу и итоговые предложения по стандартизации. Если вы заинтересованы в участии, вы можете узнать больше о содержании семинара и регистрации на веб-сайте, указанном в конце этой статьи.
Ссылка на сайт
Ссылки:
[1] Соответствующими являются следующие стандарты серии IEC 60747: IEC 60747-8 Полупроводниковые устройства. Дискретные устройства. Часть 8. Полевые транзисторы. IEC 60747-9 Полупроводниковые устройства. Часть 9. Дискретные устройства. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBTs) IEC 60747-15 Полупроводниковые устройства. Дискретные устройства. Часть 15. Изолированные силовые полупроводниковые устройства.
[2] П. Циглер, Н. Тростер, Д. Шмидт, Дж. Рутхардт, М. Фишер и Дж. Рот-Стилоу, «Широкополосный датчик тока для измерения коммутационного тока в силовой электронике с быстрым переключением» в EPE'20 ECCE Europe : 22-я Европейская конференция по силовой электронике и приложениям, Лион, 2020 г.
[3] Дж. Веймер и И. Каллфасс, «Потери мягкого переключения в силовых транзисторах на основе GaN и SiC на основе новых калориметрических измерений», 2019-й Международный симпозиум по силовым полупроводниковым приборам и ИС (ISPSD), 31 г., Шанхай, Китай, 2019 г., стр. 455-458, DOI: 10.1109 / ISPSD.2019.8757650.
[4] Д. Кох, С. Арауджо и И. Каллфасс, «Анализ точности измерения калориметрических потерь для эталонного тестирования силовых транзисторов с широкой запрещенной зоной при работе с мягким переключением», семинар IEEE 2019 года по устройствам и приложениям с широкой полосой пропускания в Азии (WiPDA Asia ), Тайбэй, Тайвань, 2019 г., стр. 1-6, DOI: 10.1109 / WiPDAAsia.2019.8760332.