ความต้องการในการกำหนดลักษณะเฉพาะแบบไร้รอยต่อการจำลองและการพัฒนาอุปกรณ์กึ่งตัวนำไฟฟ้า

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาความต้องการพลังงาน อิเล็กทรอนิกส์ ระบบต่างๆมีการเติบโตอย่างต่อเนื่อง ในขณะเดียวกันผู้ผลิตต้องเผชิญกับความต้องการที่เพิ่มขึ้นในการปรับแต่งกำลัง สารกึ่งตัวนำ อุปกรณ์สำหรับการใช้งานเฉพาะ ขณะนี้กำลังเลือกทางขวา สารกึ่งตัวนำ เป็นสิ่งที่ท้าทายเนื่องจากช่องว่างในมาตรฐานการกำหนดลักษณะเป็นอุปสรรคต่อความสามารถในการเปรียบเทียบ ส่วนประกอบโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเซมิคอนดักเตอร์กำลังเร็ว

วิธีการกำหนดลักษณะและสภาพแวดล้อมสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ถูกกำหนดไว้ใน IEC 60747 series [1] เมื่อวันที่ สารกึ่งตัวนำ อุปกรณ์ อย่างไรก็ตามการใช้มาตรฐานเหล่านี้มีข้อ จำกัด เมื่อพูดถึงเทคโนโลยีใหม่ ๆ เช่น SiC และ GaN และแม้กระทั่งสำหรับเทคโนโลยีที่เป็นที่ยอมรับแล้วการตรวจสอบย้อนกลับของการวัดก็ยังขาดอยู่

นอกจากนี้การตั้งค่าการจำลองในระหว่างกระบวนการคัดเลือกมักจะเป็นเรื่องยากสำหรับลูกค้า สารกึ่งตัวนำ ผู้ผลิตต้องตัดสินใจว่าจะใช้เครื่องมือจำลองใดจากเครื่องมือจำลองที่มีอยู่มากมาย หากลูกค้าของพวกเขาใช้เครื่องมือที่แตกต่างจากที่พวกเขาเลือกไว้การใช้พารามิเตอร์จะต้องใช้ความพยายามอย่างมากมิฉะนั้นอุปกรณ์จะไม่ได้รับการพิจารณา

โครงการ MessLeha ของเยอรมันที่ได้รับทุนสนับสนุนจากสาธารณะแก้ไขปัญหานี้โดยการกำหนดแผ่นข้อมูลที่เครื่องอ่านได้เพื่อรองรับการตั้งค่าแบบจำลอง โครงการนี้ยังจะพัฒนาวิธีการวัดและสภาพแวดล้อมสำหรับการวัดเซมิคอนดักเตอร์กำลังเร็ว

รูปที่ 1: ภาพรวมของโครงการ MessLeha

การพัฒนาแผ่นข้อมูลดิจิทัล

เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดสำหรับตัวแปลงไฟ ส่วนประกอบแต่ละชิ้นจะต้องมีการโต้ตอบอย่างเหมาะสมที่สุดในระบบที่ซับซ้อน สำหรับพลัง สารกึ่งตัวนำการเลือกเริ่มต้นจะขึ้นอยู่กับค่าในแผ่นข้อมูล ในระยะต่อมา จะมีการเพิ่มเกณฑ์เพิ่มเติม เช่น ความสามารถในการส่งมอบ ผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์กำลังบางรายเสนอโมเดลสำหรับสายโซ่เครื่องมือบางประเภท หรือกำลังอยู่ในขั้นตอนการเตรียมขั้นตอนนี้ เมื่อถึงจุดนี้คำถามก็เกิดขึ้นว่านี่เป็นวิธีที่ถูกต้องหรือไม่ ผู้ผลิตส่วนประกอบควรจัดหาโมเดลสำหรับ toolchain เฉพาะหรือไม่? มีโมเดลอื่นๆ ที่จะสร้างและบำรุงรักษาในระยะกลางหรือไม่? แล้วลูกค้า/ผู้ใช้ที่มีโซลูชันอื่นที่ใช้งานอยู่ล่ะ แล้วการเข้าถึงตลาดสำหรับเครื่องมือจำลองสถานการณ์ใหม่ๆ หากผู้ผลิตเสนอแบบจำลองสำหรับกลุ่มเครื่องมือเฉพาะหนึ่งหรือสองกลุ่มล่ะ? สิ่งนี้อาจทำให้นวัตกรรมทางเทคนิคช้าลงหรือไม่?

ทั้งผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ผู้พัฒนาและผู้ผลิตไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ ระบบหรือผู้ผลิตเครื่องมือจำลองสามารถมีความสนใจในสถานการณ์นี้ สร้างการพึ่งพาและสร้างความพยายามที่ไม่จำเป็น การนำแผ่นข้อมูลที่เครื่องอ่านได้มาใช้อาจเป็นประโยชน์ในจุดนี้ ผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์กำลังจะเก็บค่าลักษณะเฉพาะไว้ในแผ่นข้อมูล PDF ปัจจุบัน ผู้ผลิตเครื่องมือจำลองจะพัฒนาโซลูชันสำหรับการนำเข้าและจำลองส่วนประกอบพารามิเตอร์โดยอัตโนมัติอย่างรวดเร็วหากพวกเขามีชุดข้อมูลที่ประสานกันดังกล่าว หลังจากการแนะนำแผ่นข้อมูลที่เครื่องอ่านได้แล้วนักพัฒนาจะสามารถประเมินพฤติกรรมของส่วนประกอบเฉพาะได้อย่างรวดเร็ว ขึ้นอยู่กับความเต็มใจของผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์กำลังที่จะให้ข้อมูลมากกว่าปกติในแผ่นข้อมูล PDF ปัจจุบันเป็นไปได้ที่จะให้ข้อมูลความน่าเชื่อถือหรือคำชี้แจงที่อัปเดตทุกวันเกี่ยวกับความสามารถในการส่งมอบ สิ่งนี้จะช่วยให้นักออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสามารถปรับปรุงกระบวนการพัฒนาได้ดียิ่งขึ้น การโต้ตอบระหว่างผู้จำหน่ายอุปกรณ์และลูกค้าที่รวดเร็วและเข้มข้นขึ้นจะเกิดขึ้นได้

มีความเป็นไปได้สูงที่ผู้มีส่วนได้ส่วนเสียดังกล่าวจะมีส่วนได้เสียในเนื้อหาของเอกสารข้อมูลที่เครื่องอ่านได้ เป้าหมายที่ประกาศของโครงการคือการสำรวจความสนใจนี้และนำผลงานของพวกเขามารวมกันในมาตรฐานที่ตกลงกัน

รูปที่ 2: วันนี้ (ซ้าย) เฉพาะลูกค้าที่มีห่วงโซ่เครื่องมือที่เหมาะสมเท่านั้นที่สามารถใช้โมเดลที่ให้มาได้ในขณะที่จุดมุ่งหมายของชุดข้อมูลในอนาคต (ขวา) คือการจัดเตรียมอินเทอร์เฟซที่กำหนดไว้ให้เหมาะกับโซ่เครื่องมือทั้งหมด

การพัฒนาการตั้งค่าลักษณะเฉพาะแบบโมดูล

Double Pulse Testing (DPT) เป็นวิธีการที่สำคัญสำหรับการกำหนดลักษณะและการเปรียบเทียบอุปกรณ์ไฟฟ้า โดยปกติแล้วการกำหนดลักษณะจะทำที่ผู้ผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าเพื่อสร้างแผ่นข้อมูลและแบบจำลอง การประเมินอุปกรณ์เปรียบเทียบดำเนินการโดยลูกค้าอุปกรณ์ไฟฟ้าที่เตรียมการตัดสินใจเชิงกลยุทธ์ระหว่างอุปกรณ์และเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ สำหรับทั้งสองกรณีอุปกรณ์จะต้องได้รับการทดสอบในการตั้งค่าลักษณะเฉพาะที่ลดผลกระทบภายนอกต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์ให้มากที่สุดเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องและเทียบเคียงกันได้ ด้วยการเกิดขึ้นของเซมิคอนดักเตอร์ Wide-Bandgap (WBG) ใหม่เช่น SiC มอสเฟตลิงค์และเซ็นเซอร์ปัจจุบันลดความจุของปรสิตไดรเวอร์ที่เร็วและแรงใกล้กับอุปกรณ์และแบนด์วิดท์ที่เพียงพอสำหรับ แรงดันไฟฟ้า การวัดเช่นเดียวกับการวัดกระแส สำหรับแอปพลิเคชันที่ใช้พลังงานต่ำเป็นเรื่องปกติที่จะวางการตั้งค่า DPT ทั้งหมดรวมทั้ง DUT ไว้ในตัวเดียว PCB. อย่างไรก็ตามเมื่อมีกำลังสูงกว่าและสำหรับกลุ่มผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นตามปกติในกำลัง โมดูล ธุรกิจแนวทางนี้มีแนวโน้มจะยุ่งยาก ดังนั้น วิธีการแบบโมดูลาร์ที่แยกการตั้งค่าทั้งหมดออกเป็นสองส่วนหลักจึงเป็นประโยชน์ บอร์ดอุปกรณ์ซึ่งมีเฉพาะตัวอุปกรณ์และไดรเวอร์เสริม ได้รับการออกแบบแยกกันเพื่อให้เหมาะกับโมดูลเฉพาะที่สุด ในทางกลับกัน มีบอร์ดลิงค์ DC ที่มีลิงค์ DC ที่มีความเหนี่ยวนำต่ำและการวัดกระแสที่มีความเหนี่ยวนำต่ำ แน่นอนว่าบอร์ดทั้งสองนี้จำเป็นต้องเชื่อมต่อกันด้วยการเชื่อมต่อแบบรวมที่มีความเหนี่ยวนำต่ำ รูปที่ 3 แสดงข้อเสนอสำหรับบอร์ดดังกล่าวที่มีการเชื่อมต่อความเหนี่ยวนำต่ำอย่างง่ายทางด้านซ้ายและลิงค์ DC พร้อมเซ็นเซอร์กระแสเสริมหลายตัวทางด้านขวา บอร์ดนี้มีจุดประสงค์เพื่อใช้ติดตั้งหม้อแปลงกระแสพัลส์ การจัดเรียงระนาบระนาบ หรือคอยล์ Rogowski

รูปที่ 3: บอร์ด DC-link ที่มีอินเทอร์เฟซความเหนี่ยวนำต่ำ [email protected]

การเปรียบเทียบหลักการวัด

เนื่องจากเวลาในการสลับที่รวดเร็วของเซมิคอนดักเตอร์ Wide-Bandgap เช่น SiC และ GaN ข้อกำหนดของอุปกรณ์สำหรับการวัดการสูญเสียการสลับจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ซิลิกอน

มหาวิทยาลัย Stuttgart พร้อมด้วย Institutes for Power Electronics and Electrical Drives (ILEA) และ Robust Power Semiconductor Systems (ILH) จึงพยายามปรับปรุงและกำหนดลักษณะการตั้งค่าการวัดสำหรับการกำหนดการสูญเสียการสลับ Wide-Bandgap เพื่อจุดประสงค์นี้การทดสอบ Double Pulse ที่ล้ำสมัยที่มีอยู่ได้รับการปรับปรุงโดยเซ็นเซอร์ปัจจุบันใหม่และการระบุลักษณะที่มีความแม่นยำสูงของกระแสและ แรงดันไฟฟ้า โพรบที่เกี่ยวกับพฤติกรรมความถี่เช่นแบนด์วิดท์ นอกจากนี้อิทธิพลของปรสิตในการตั้งค่าเช่นการเหนี่ยวนำหลงทางจะถูกนำมาพิจารณาด้วย ผลลัพธ์จะได้รับการตรวจสอบด้วยความช่วยเหลือของการวัดแคลอรี่เมตริกที่มีความแม่นยำสูงโดยใช้เฟสการเพิ่มความร้อนเพื่อให้ได้ผลลัพธ์การเปลี่ยนการสูญเสียที่รวดเร็วในหลาย ๆ จุดของการทำงาน

ในขณะเดียวกันสถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติเยอรมนี (PTB) กำลังพัฒนาวิธีการวัดการสูญเสียการสลับด้วยระบบการวัดการสุ่มตัวอย่าง ด้วยวิธีนี้ไฟล์ แรงดันไฟฟ้า และกระแสจะถูกบันทึกอย่างแม่นยำในช่วงเวลาเปลี่ยน เพื่อจุดประสงค์นี้ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าและตัวแบ่งจะต้องมีลักษณะเป็นอันดับแรก ความท้าทายอีกประการหนึ่งคือการแก้ไขเวลาระหว่างสัญญาณที่บันทึกไว้ทั้งสอง ปัจจัยทั้งสองนี้ช่วยให้มั่นใจในความแม่นยำของการสูญเสียการสลับที่คำนวณได้

รูปที่ 4: โมดูลจ่ายไฟเป็น DUT และด้านต่างๆของการเปลี่ยนลักษณะการสูญเสียในโครงการนี้ (ตรงกลาง) เซ็นเซอร์กระแสใหม่ตามหลักการ HOKA สำหรับการวัดกระแสที่แม่นยำ [2] (บนซ้าย) การตั้งค่าการวัดแคลอรี่เมตริกสำหรับเซมิคอนดักเตอร์กำลังแยกแบบ Wide-Bandgap [3] (บนขวา) การกำหนดลักษณะแบนด์วิดท์สำหรับการปัดด้วยเครื่องกำเนิดพัลส์สายส่ง (PTB) (ด้านล่างซ้าย) การสร้างแบบจำลองที่แม่นยำและการคำนวณข้อผิดพลาดของการวัดแคลอรี่เมตริกและไฟฟ้าสำหรับการคำนวณระดับความน่าเชื่อถือ [4] (ด้านล่างซ้าย)

หลังจากขั้นตอนการพัฒนาของทั้งสามวิธีการเปรียบเทียบจะดำเนินการระหว่างวิธีการทั้งหมด ความไม่แน่นอนในการวัดของระบบจะถูกกำหนดด้วย

การกำหนดมาตรฐานใน IEC - และวิธีการเข้าร่วม

โครงการ MessLeha มีเป้าหมายที่จะพัฒนาสภาพแวดล้อมการวัดที่ได้มาตรฐานและเอกสารข้อมูลที่เครื่องอ่านได้ เพื่อรองรับการพัฒนาระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ราบรื่นยิ่งขึ้น ซึ่งสามารถทำได้ก็ต่อเมื่อมีการอัพเดตโซลูชันอย่างกว้างขวาง เมื่อสิ้นสุดโครงการในเดือนธันวาคม 2021 จะมีการเสนอร่างสองฉบับต่อ DKE ซึ่งเป็นคณะกรรมาธิการไฟฟ้าแห่งเยอรมนี อิเล็กทรอนิกส์ และเทคโนโลยีสารสนเทศใน DIN และ VDE เมื่อได้รับการอนุมัติแล้ว ร่างเหล่านี้จะถูกเสนอต่อคณะกรรมการด้านเทคนิค TC 47 “อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์” ของ International Electrotechnical Commission IEC

ข้อเสนอสำหรับการแก้ไขชุด IEC 60747 จะระบุถึงการขาดการตรวจสอบย้อนกลับของการวัดในปัจจุบัน นอกจากนี้ยังตรวจสอบให้แน่ใจว่าการทดสอบ Double Pulse Test จะใช้ได้กับเซมิคอนดักเตอร์ SiC และ GaN ใหม่ด้วย ข้อเสนอที่สองจะกำหนดแผ่นข้อมูลที่เครื่องอ่านได้

ในวันที่ 4 มีนาคม 2021 โครงการ MessLeha จะจัดเวิร์กชอปออนไลน์เพื่อรวบรวมข้อเสนอแนะจากผู้มีส่วนได้ส่วนเสีย ในระหว่างเซสชันการฝ่าวงล้อมโดยเฉพาะสองครั้งพันธมิตรของโครงการจะหารือกับผู้เข้าร่วมถึงความต้องการของพวกเขาสำหรับพารามิเตอร์และการจำลองแบบจำลองของอุปกรณ์รวมถึงสภาพแวดล้อมการวัดผล

ข้อมูลที่รวบรวมระหว่างเซสชันเหล่านี้จะรวมอยู่ในงานที่กำลังดำเนินอยู่และข้อเสนอมาตรฐานที่เป็นผลลัพธ์ หากคุณสนใจที่จะเข้าร่วมคุณสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเนื้อหาเวิร์กชอปและการลงทะเบียนบนเว็บไซต์ที่ระบุไว้ตอนท้ายของบทความนี้

การเชื่อมโยงเว็บไซต์

อ้างอิง:

[1] มาตรฐานที่เกี่ยวข้องของซีรีส์ IEC 60747 ต่อไปนี้ IEC 60747-8 อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ – อุปกรณ์แยก – ส่วนที่ 8: ทรานซิสเตอร์สนามผล IEC 60747-9 อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ – ส่วนที่ 9: อุปกรณ์แยก – ทรานซิสเตอร์สองขั้วเกตฉนวน (IGBTs) IEC 60747-15 อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ - อุปกรณ์แยก - ส่วนที่ 15: อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังแยก

[2] P. Ziegler, N. Tröster, D. Schmidt, J. Ruthardt, M. Fischer และ J. Roth-Stielow,“ เซ็นเซอร์กระแสแบนด์วิดท์กว้างสำหรับการเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวิตช์เร็ว” ใน EPE'20 ECCE Europe : การประชุมยุโรปด้านอิเล็กทรอนิกส์และแอพพลิเคชั่นไฟฟ้าครั้งที่ 22, ลียง, 2020

[3] J. Weimer และ I. Kallfass,“ Soft-Switching Losses in GaN and SiC Power Transistors Based on New Calorimetric Measurement,” 2019 31st International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), Shanghai, China, 2019, pp . 455-458, ดอย: 10.1109 / ISPSD.2019.8757650.

[4] D. Koch, S. Araujo และ I. Kallfass,“ การวิเคราะห์ความแม่นยำของการวัดการสูญเสียแคลอรีเมตริกสำหรับการเปรียบเทียบทรานซิสเตอร์แบบ Wide Bandgap ภายใต้การทำงานแบบ Soft-Switching” การประชุมเชิงปฏิบัติการ IEEE ปี 2019 เกี่ยวกับอุปกรณ์และแอพพลิเคชั่น Wide Bandgap ในเอเชีย (WiPDA Asia ) ไทเปไต้หวัน 2019 หน้า 1-6 ดอย: 10.1109 / WiPDAAsia.2019.8760332