Son yıllarda elektrik talebi elektronik sistemleri giderek büyümektedir. Aynı zamanda üreticiler, gücü özelleştirme konusunda giderek artan bir ihtiyaçla karşı karşıya kalıyor Yarıiletken Belirli uygulamalara yönelik cihazlar. Şu anda doğru olanı seçiyorum Yarıiletken Karakterizasyon standartlarındaki boşluklar karşılaştırılabilirliği engellediğinden zorludur. bileşenlerözellikle hızlı güç yarı iletkenleri için.
Yarı iletkenlere yönelik karakterizasyon yöntemleri ve ortamları IEC 60747 serisinde [1] tanımlanmıştır. Yarıiletken cihazlar. Ancak SiC ve GaN gibi yeni teknolojiler söz konusu olduğunda bu standartların uygulaması sınırlıdır. Yerleşik teknolojiler için bile ölçümlerin izlenebilirliği eksiktir.
Ayrıca seçim süreci sırasında bir simülasyon oluşturmak müşteri açısından genellikle zahmetli bir iştir. Yarıiletken Üreticilerin mevcut birçok simülasyon aracından hangisini modellemek istediklerine karar vermeleri gerekiyor. Müşterileri seçtiklerinden farklı bir araç kullanıyorsa parametrelendirme önemli ölçüde çaba gerektirecektir veya cihaz dikkate alınmayacaktır.
Kamu tarafından finanse edilen Alman projesi MessLeha, simülasyon modellerinin kurulumunu desteklemek için makine tarafından okunabilen bir veri sayfası tanımlayarak bu sorunu çözüyor. Proje aynı zamanda hızlı güç yarı iletkenlerini ölçmek için bir ölçüm yöntemi ve ortamı da geliştirecek.
Şekil 1: MessLeha projesine genel bakış
Dijital Veri Sayfasının Geliştirilmesi
Bir güç dönüştürücüsünün gereksinimlerini karşılamak için, bireysel bileşenlerin karmaşık bir sistemde en iyi şekilde etkileşime girmesi gerekir. Güç için yarıiletken, ilk seçim veri sayfası değerlerine dayalıdır. Daha sonraki bir aşamada teslim edilebilirlik gibi başka kriterler de eklenir. Bazı güç yarı iletken üreticileri belirli takım zincirleri için modeller sunmakta veya bu adımı hazırlama sürecindedir. Bu noktada bunun doğru yol olup olmadığı sorusu ortaya çıkıyor. Bir bileşen üreticisi yalnızca belirli bir takım zinciri için model mi sağlamalı? Orta vadede oluşturulacak ve sürdürülecek başka modeller var mı? Farklı bir çözümü kullanan müşteriler/kullanıcılar ne olacak? Üreticiler bir veya iki spesifik araç zinciri için modeller sunarsa, yeni simülasyon araçlarının pazara erişimi ne olacak? Bu belki de teknik yeniliği yavaşlatıyor mu?
Ne yarı iletken üreticileri, geliştiricileri ne de güç üreticileri elektronik sistemlerin veya simülasyon araçları üreticilerinin bu senaryoyla ilgisi olamaz. Bağımlılıklar yaratır ve gereksiz çaba yaratır. Makine tarafından okunabilen bir veri sayfasının sunulması bu noktada faydalı olabilir. Güç yarı iletkenlerinin üreticileri karakteristik değerleri mevcut PDF veri sayfasında olduğu gibi saklayacaklardır. Simülasyon araçları üreticileri, böyle koordineli bir veri setine sahip olsalardı, bileşen modellerini içe aktarmak ve otomatik olarak parametrelendirmek için çok hızlı bir şekilde bir çözüm geliştirirlerdi. Makine tarafından okunabilen veri sayfasının kullanıma sunulmasından sonra geliştiriciler, belirli bir bileşenin davranışını çok hızlı bir şekilde değerlendirebilecektir. Güç yarı iletkenleri üreticilerinin mevcut bir PDF veri sayfasında normalden daha fazla veri sağlama konusundaki istekliliğine bağlı olarak, güvenilirlik verileri veya teslim edilebilirlik hakkında günlük olarak güncellenen ifadeler sağlamak bile düşünülebilir. Bu, güç elektroniği tasarımcılarının geliştirme sürecini daha da kolaylaştırmasına olanak tanıyacaktır. Cihaz satıcıları ile müşterileri arasında daha hızlı ve daha yoğun bir etkileşim mümkün hale geliyor.
Yukarıda adı geçen paydaşların, makine tarafından okunabilen bir veri sayfasının içeriğinde çıkar sahibi olması muhtemeldir. Projenin ilan edilen hedefi bu ilgiyi araştırmak ve katkılarını üzerinde anlaşılan bir standartta bir araya getirmektir.
Şekil 2: Bugün (solda), yalnızca uygun araç zincirlerine sahip müşteriler sağlanan modelleri kullanabilirken, gelecekteki veri kümelerinin amacı (sağda) tüm araç zincirlerine uygun, tanımlanmış bir arayüz sağlamaktır.
Modüler Karakterizasyon Kurulumunun Geliştirilmesi
Çift Darbe Testi (DPT), güç cihazı karakterizasyonu ve karşılaştırması için önemli bir yöntemdir. Karakterizasyon genellikle veri sayfaları ve simülasyon modelleri oluşturmak için güç cihazı üreticisinde yapılır. Karşılaştırmalı cihaz değerlendirmesi, cihaz ve paketleme teknolojileri arasında stratejik kararlar hazırlayan güç cihazı müşterileri tarafından gerçekleştirilir. Her iki durumda da tutarlı ve karşılaştırılabilir sonuçlara ulaşmak için cihazların, cihaz performansı üzerindeki dış etkiyi mümkün olduğunca en aza indiren bir karakterizasyon kurulumunda test edilmesi gerekir. SiC gibi yeni Geniş Bant Aralığı (WBG) yarı iletkenlerinin ortaya çıkmasıyla birlikte mosfetler, bağlantı ve akım sensörü, parazitik kapasitansların azaltılması, cihaza yakın hızlı ve güçlü bir sürücü ve yeterli bant genişliği Voltaj ölçüm ve akım ölçümü için. Düşük güçlü uygulamalar için, DUT da dahil olmak üzere tüm DPT kurulumunun tek bir cihaza yerleştirilmesi oldukça yaygındır. pcb. Ancak daha yüksek güçte ve daha geniş bir ürün portföyü için güçte yaygın olarak modül iş dünyasında bu yaklaşım hantal olma eğilimindedir. Bu nedenle, tüm kurulumu iki ana parçaya ayıran modüler bir yaklaşım avantajlıdır. Yalnızca aygıtın kendisini ve isteğe bağlı bir sürücüyü taşıyan aygıt kartı, belirli modüle en iyi şekilde uyacak şekilde ayrı ayrı tasarlanmıştır. Karşıt olarak, düşük endüktanslı bir DC bağlantısının yanı sıra düşük endüktanslı bir akım ölçümü içeren bir DC bağlantı kartı vardır. Elbette bu iki kartın birleşik bir düşük endüktanslı bağlantıyla bağlanması gerekiyor. Şekil 3, solda basit bir düşük endüktans bağlantısı ve sağda çeşitli isteğe bağlı akım sensörleriyle bir DC bağlantısı sunan böyle bir kart için bir öneriyi göstermektedir. Bu kartın bir darbe akım transformatörünü, düzlemsel bir şönt düzenini veya bir Rogowski bobinini barındırması amaçlanmaktadır.
Şekil 3: Düşük endüktans arayüzlü DC bağlantı kartı [e-posta korumalı]
Ölçüm Prensiplerinin Karşılaştırılması
SiC ve GaN gibi Geniş Bant Aralıklı yarı iletkenlerin hızlı anahtarlama süreleri nedeniyle, anahtarlama kaybı ölçümlerine yönelik ekipmanın gereksinimleri, silikon cihazlara kıyasla hızla artmaktadır.
Bu nedenle Stuttgart Üniversitesi, Güç Elektroniği ve Elektrik Sürücüleri Enstitüleri (ILEA) ve Sağlam Güç Yarı İletken Sistemleri (ILH) ile Geniş Bant Aralığı anahtarlama kaybının belirlenmesi için ölçüm kurulumlarının iyileştirilmesi ve karakterize edilmesi üzerinde çalışıyor. Bu amaçla mevcut son teknoloji Çift Darbe Testi, yeni akım sensörleri ve yüksek doğrulukta akım ve karakterizasyon ile geliştirilmiştir. Voltaj frekans davranışına, yani bant genişliğine ilişkin problar. Ayrıca, parazitlerin kurulumdaki başıboş endüktans gibi etkisi de dikkate alınacaktır. Sonuçlar, çeşitli çalışma noktalarında hızlı anahtarlama kaybı sonuçları için ısınma aşamasından yararlanılarak yüksek doğrulukta kalorimetrik ölçümlerin yardımıyla doğrulanır.
Buna paralel olarak Almanya Ulusal Metroloji Enstitüsü (PTB), bir örnekleme ölçüm sistemiyle anahtarlama kayıplarını ölçmek için bir yöntem geliştiriyor. Bu yöntemle, Voltaj ve akım, anahtarlama süresi boyunca tam olarak kaydedilecektir. Bu amaçla öncelikle gerilim bölücünün ve şöntün karakterize edilmesi gerekir. Diğer bir zorluk ise kaydedilen iki sinyal arasındaki zaman düzeltmesidir. Bu iki faktör hesaplanan anahtarlama kayıplarının doğruluğunu sağlar.
Şekil 4: DUT olarak güç modülü ve bu projedeki anahtarlama kaybı karakterizasyonunun farklı yönleri (ortada). Hassas akım ölçümü için HOKA prensibini temel alan yeni akım sensörü [2] (sol üst). Geniş Bant Aralıklı ayrık güç yarı iletkenleri için kalorimetrik ölçüm kurulumu [3] (sağ üst). İletim hattı puls üretecine (PTB) sahip bir şönt için bant genişliği karakterizasyonu (sol altta). Güven düzeyi hesaplaması için kalorimetrik ve elektriksel ölçümlerin hassas modellenmesi ve hata hesaplaması [4] (sol altta).
Üç yöntemin geliştirme aşamasından sonra tüm yöntemler arasında bir karşılaştırma yapılacaktır. Sistemlerin ölçüm belirsizliği de belirlenecektir.
IEC'de Standardizasyon – ve Nasıl Katılabilirsiniz?
MessLeha projesi, güç elektroniği sistemlerinin daha sorunsuz bir şekilde geliştirilmesini desteklemek için standartlaştırılmış bir ölçüm ortamı ve makine tarafından okunabilir veri sayfası geliştirmeyi amaçlamaktadır. Bu ancak çözümün kapsamlı bir şekilde güncellenmesiyle başarılabilir. Projenin Aralık 2021 sonunda, Alman Elektrik Komisyonu DKE'ye iki taslak teklif edilecek. Elektronik & DIN ve VDE'de Bilgi Teknolojileri. Onayın ardından bu taslaklar, Uluslararası Elektroteknik Komisyonu IEC'nin TC 47 “Yarı İletken Cihazlar” Teknik Komitesine sunulacaktır.
IEC 60747 serisine yönelik bir değişiklik teklifi, mevcut ölçüm izlenebilirliği eksikliğini giderecektir. Ayrıca Çift Darbe Testinin yeni SiC ve GaN yarı iletkenlerine de uygulanabilmesini sağlayacaktır. İkinci teklif makine tarafından okunabilen veri sayfasını tanımlayacaktır.
4 Mart 2021'de MessLeha projesi, paydaşlardan geri bildirim toplamak için çevrimiçi bir çalıştay düzenleyecek. İki özel ara oturumu sırasında proje ortakları, katılımcılarla cihaz modeli parametrelendirmesi ve simülasyonlarının yanı sıra ölçüm ortamına yönelik gereksinimlerini tartışacak.
Bu oturumlar sırasında toplanan bilgiler, devam eden çalışmalara ve sonuçta ortaya çıkan standardizasyon önerilerine dahil edilecektir. Katılmak istiyorsanız bu makalenin sonunda verilen web sitesinden atölye içeriği ve kayıt hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz.
Web Sitesi
Referanslar:
[1] IEC 60747 serisinin aşağıdaki standartları geçerlidir: IEC 60747-8 Yarı iletken cihazlar – Ayrı cihazlar – Bölüm 8: Alan etkili transistörler IEC 60747-9 Yarı iletken cihazlar – Bölüm 9: Ayrı cihazlar – Yalıtımlı kapı bipolar transistörler (IGBTs) IEC 60747-15 Yarı iletken cihazlar – Ayrık cihazlar – Bölüm 15: İzole edilmiş güç yarı iletken cihazları
[2] P. Ziegler, N. Tröster, D. Schmidt, J. Ruthardt, M. Fischer ve J. Roth-Stielow, EPE'20 ECCE Avrupa'da “Hızlı Anahtarlamalı Güç Elektroniğinde Komütasyon Akım Ölçümü için Geniş Bant Genişliği Akım Sensörü” : 22. Avrupa Güç Elektroniği ve Uygulamaları Konferansı, Lyon, 2020
[3] J. Weimer ve I. Kallfass, “Yeni Kalorimetrik Ölçümlere Dayalı GaN ve SiC Güç Transistörlerinde Yumuşak Anahtarlama Kayıpları,” 2019 31. Uluslararası Güç Yarı İletken Cihazları ve IC'leri Sempozyumu (ISPSD), Şangay, Çin, 2019, s. .455-458, doi: 10.1109/ISPSD.2019.8757650.
[4] D. Koch, S. Araujo ve I. Kalfass, "Yumuşak Anahtarlama Operasyonu Altında Geniş Bant Aralıklı Güç Transistörlerinin Kıyaslanması için Kalorimetrik Kayıp Ölçümünün Doğruluk Analizi", 2019 IEEE Asya'daki Geniş Bant Aralıklı Güç Cihazları ve Uygulamaları Çalıştayı (WiPDA Asya) ), Taipei, Tayvan, 2019, s. 1-6, doi: 10.1109/ WiPDAAsia.2019.8760332.