Trong những năm gần đây, nhu cầu điện điện tử hệ thống đã và đang phát triển ổn định. Đồng thời, các nhà sản xuất phải đối mặt với nhu cầu ngày càng tăng trong việc tùy chỉnh công suất Semiconductor thiết bị cho các ứng dụng cụ thể. Hiện tại, lựa chọn quyền Semiconductor là một thách thức, vì khoảng cách trong các tiêu chuẩn mô tả đặc tính cản trở khả năng so sánh của các thành phần, đặc biệt là đối với chất bán dẫn công suất nhanh.
Các phương pháp đặc tính và môi trường cho chất bán dẫn được định nghĩa trong sê-ri IEC 60747 [1] trên Semiconductor các thiết bị. Tuy nhiên, việc áp dụng các tiêu chuẩn này bị hạn chế khi áp dụng các công nghệ mới như SiC và GaN. Và ngay cả đối với các công nghệ đã được thiết lập, khả năng truy xuất nguồn gốc của các phép đo vẫn còn thiếu.
Hơn nữa, việc thiết lập mô phỏng trong quá trình lựa chọn thường tốn nhiều công sức từ phía khách hàng. Semiconductor nhà sản xuất phải quyết định công cụ mô phỏng nào trong số nhiều công cụ mô phỏng có sẵn mà họ muốn tạo mô hình. Nếu khách hàng của họ sử dụng một công cụ khác với những công cụ họ đã chọn, thì việc tham số hóa sẽ đòi hỏi nỗ lực đáng kể hoặc thiết bị sẽ không được xem xét.
Dự án MessLeha của Đức được tài trợ công khai giải quyết vấn đề này bằng cách xác định một bảng dữ liệu có thể đọc được bằng máy để hỗ trợ thiết lập các mô hình mô phỏng. Dự án cũng sẽ phát triển một phương pháp đo và môi trường để đo chất bán dẫn công suất nhanh.
Hình 1: Tổng quan về dự án MessLeha
Phát triển một biểu dữ liệu kỹ thuật số
Để đáp ứng các yêu cầu đối với bộ chuyển đổi năng lượng, các bộ phận riêng lẻ phải tương tác tối ưu trong một hệ thống phức tạp. Vì sức mạnh bán dẫn, lựa chọn ban đầu dựa trên các giá trị của bảng dữ liệu. Ở giai đoạn sau, các tiêu chí khác như khả năng giao hàng sẽ được thêm vào. Một số nhà sản xuất chất bán dẫn điện cung cấp mô hình cho một số chuỗi công cụ nhất định hoặc đang trong quá trình chuẩn bị cho bước này. Tại thời điểm này, câu hỏi đặt ra là liệu đây có phải là cách đúng đắn hay không. Nhà sản xuất linh kiện có nên chỉ cung cấp mô hình cho một chuỗi công cụ cụ thể không? Có những mô hình nào khác cần được tạo ra và duy trì trong trung hạn không? Còn những khách hàng/người dùng đang sử dụng giải pháp khác thì sao? Còn khả năng tiếp cận thị trường cho các công cụ mô phỏng mới nếu nhà sản xuất cung cấp mô hình cho một hoặc có thể hai chuỗi công cụ cụ thể thì sao? Điều này có lẽ thậm chí còn làm chậm sự đổi mới kỹ thuật?
Cả nhà sản xuất chất bán dẫn, nhà phát triển và nhà sản xuất điện điện tử hệ thống cũng như các nhà sản xuất công cụ mô phỏng có thể quan tâm đến kịch bản này. Nó tạo ra sự phụ thuộc và tạo ra nỗ lực không cần thiết. Việc giới thiệu một bảng dữ liệu có thể đọc được bằng máy có thể hữu ích vào thời điểm này. Các nhà sản xuất chất bán dẫn công suất sẽ lưu trữ các giá trị đặc trưng như trong biểu dữ liệu PDF hiện tại. Các nhà sản xuất công cụ mô phỏng sẽ rất nhanh chóng phát triển một giải pháp để nhập và tự động tham số hóa các mô hình thành phần, nếu họ có một bộ dữ liệu phối hợp như vậy. Sau khi giới thiệu biểu dữ liệu có thể đọc được bằng máy, các nhà phát triển sẽ có thể đánh giá hành vi của một thành phần cụ thể rất nhanh chóng. Tùy thuộc vào sự sẵn lòng của các nhà sản xuất chất bán dẫn điện trong việc cung cấp nhiều dữ liệu hơn bình thường trong biểu dữ liệu PDF hiện tại, thậm chí có thể tưởng tượng được việc cung cấp dữ liệu độ tin cậy hoặc các tuyên bố cập nhật hàng ngày về khả năng cung cấp. Điều này sẽ cho phép các nhà thiết kế điện tử công suất hợp lý hóa hơn nữa quá trình phát triển. Có thể hình dung được sự tương tác nhanh hơn và mãnh liệt hơn giữa các nhà cung cấp thiết bị và khách hàng của họ.
Rất có thể các bên liên quan nói trên sẽ quan tâm đến nội dung của biểu dữ liệu có thể đọc được bằng máy. Mục tiêu đã tuyên bố của dự án là khám phá mối quan tâm này và đưa sự đóng góp của họ lại với nhau theo một tiêu chuẩn đã được thống nhất.
Hình 2: Ngày nay (bên trái), chỉ những khách hàng có hàng công cụ thích hợp mới có thể sử dụng các mô hình được cung cấp, trong khi mục tiêu của bộ dữ liệu trong tương lai (bên phải) là cung cấp một giao diện xác định phù hợp cho tất cả các hàng công cụ.
Phát triển thiết lập đặc tính mô-đun
Kiểm tra xung kép (DPT) là một phương pháp quan trọng để so sánh và xác định đặc tính của thiết bị điện. Đặc tính hóa thường được thực hiện tại nhà sản xuất thiết bị điện để tạo bảng dữ liệu và mô hình mô phỏng. Việc đánh giá thiết bị so sánh được thực hiện bởi khách hàng sử dụng thiết bị điện đang chuẩn bị các quyết định chiến lược giữa thiết bị và công nghệ đóng gói. Đối với cả hai trường hợp, các thiết bị cần được thử nghiệm trong một thiết lập đặc tính để giảm thiểu tác động bên ngoài đến hiệu suất của thiết bị càng nhiều càng tốt để đạt được kết quả nhất quán và có thể so sánh được. Với sự xuất hiện của các chất bán dẫn Băng thông rộng (WBG) mới như SiC mosfet, liên kết và cảm biến dòng điện, giảm điện dung ký sinh, trình điều khiển nhanh và mạnh gần thiết bị và đủ băng thông cho Vôn đo lường cũng như để đo lường hiện tại. Đối với các ứng dụng tiêu thụ điện năng thấp, việc đặt thiết lập DPT hoàn chỉnh bao gồm cả DUT trên một pcb. Tuy nhiên, ở công suất cao hơn và đối với danh mục sản phẩm lớn hơn như thông thường ở công suất mô-đun kinh doanh, cách tiếp cận này có xu hướng trở nên cồng kềnh. Do đó, cách tiếp cận mô-đun tách toàn bộ thiết lập thành hai phần chính là thuận lợi. Một bo mạch thiết bị, chỉ chứa chính thiết bị và trình điều khiển tùy chọn, được thiết kế riêng để phù hợp nhất với mô-đun cụ thể. Là một đối tác, có một bảng liên kết DC chứa liên kết DC có độ tự cảm thấp cũng như phép đo dòng điện có độ tự cảm thấp. Tất nhiên, hai bo mạch này cần được kết nối bằng một kết nối có độ tự cảm thấp thống nhất. Hình 3 thể hiện đề xuất về một bo mạch như vậy cung cấp kết nối có độ tự cảm thấp đơn giản ở bên trái và liên kết DC với một số cảm biến dòng điện tùy chọn ở bên phải. Bảng này được thiết kế để chứa một máy biến dòng xung, một bố trí shunt phẳng hoặc một cuộn dây Rogowski.
Hình 3: Bo mạch liên kết DC với giao diện điện cảm thấp [được bảo vệ bằng email]
So sánh các nguyên tắc đo lường
Do thời gian chuyển mạch nhanh của các chất bán dẫn dải băng rộng, như SiC và GaN, yêu cầu của thiết bị đối với phép đo suy hao khi chuyển mạch đang tăng nhanh so với thiết bị silicon.
Do đó, Đại học Stuttgart cùng với Viện Điện tử Công suất và Truyền động Điện (ILEA) và Hệ thống Bán dẫn Công suất Mạnh (ILH) đang nghiên cứu cải tiến và mô tả các thiết lập đo lường để xác định tổn thất chuyển mạch Băng thông rộng. Với mục đích này, Thử nghiệm xung kép hiện đại đã được cải tiến bằng các cảm biến hiện tại mới và mô tả đặc tính chính xác cao của dòng điện và Vôn đầu dò liên quan đến hành vi tần số, tức là băng thông. Hơn nữa, ảnh hưởng của ký sinh trùng trong thiết lập, như điện cảm đi lạc, sẽ được tính đến. Kết quả được xác minh với sự trợ giúp của các phép đo nhiệt lượng có độ chính xác cao, sử dụng giai đoạn tăng nhiệt để có kết quả suy hao chuyển mạch nhanh tại một số điểm hoạt động.
Song song đó, Viện Đo lường Quốc gia Đức (PTB) đang phát triển một phương pháp đo tổn thất chuyển mạch bằng hệ thống đo lấy mẫu. Với phương pháp này, Vôn và dòng điện sẽ được ghi lại chính xác trong thời gian chuyển mạch. Đối với mục đích này, bộ phân áp và bộ chuyển mạch trước tiên cần được đặc trưng. Một thách thức khác là hiệu chỉnh thời gian giữa hai tín hiệu được ghi lại. Hai yếu tố này đảm bảo tính chính xác của tổn thất chuyển mạch được tính toán.
Hình 4: Mô-đun nguồn như DUT và các khía cạnh khác nhau của đặc điểm tổn hao khi chuyển mạch trong dự án này (giữa). Cảm biến dòng điện mới dựa trên nguyên tắc HOKA để đo dòng điện chính xác [2] (trên cùng bên trái). Thiết lập đo nhiệt lượng cho chất bán dẫn công suất rời Rộng dải tần [3] (trên cùng bên phải). Đặc tính băng thông cho một shunt với bộ tạo xung đường truyền (PTB) (dưới cùng bên trái). Mô hình hóa chính xác và tính toán sai số của các phép đo nhiệt lượng và điện cho mức độ tin cậy tính toán [4] (phía dưới bên trái).
Sau giai đoạn phát triển của ba phương pháp, một so sánh sẽ được thực hiện giữa tất cả các phương pháp. Độ không đảm bảo đo của hệ thống cũng sẽ được xác định.
Tiêu chuẩn hóa trong IEC - và Cách tham gia
Dự án MessLeha nhằm mục đích phát triển một môi trường đo lường tiêu chuẩn và bảng dữ liệu có thể đọc được bằng máy để hỗ trợ sự phát triển suôn sẻ hơn của các hệ thống điện tử công suất. Điều này chỉ có thể đạt được nếu giải pháp được cập nhật rộng rãi. Khi kết thúc dự án vào tháng 2021 năm XNUMX, hai dự thảo sẽ được đề xuất lên DKE, Ủy ban Điện, điện tử & Công nghệ thông tin trong DIN và VDE. Sau khi được phê duyệt, những dự thảo này sẽ được đề xuất lên Ủy ban Kỹ thuật TC 47 “Thiết bị bán dẫn” của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC.
Đề xuất sửa đổi đối với loạt tiêu chuẩn IEC 60747 sẽ giải quyết tình trạng thiếu khả năng truy xuất nguồn gốc các phép đo hiện nay. Hơn nữa, nó sẽ đảm bảo rằng Thử nghiệm xung kép cũng sẽ được áp dụng cho các chất bán dẫn SiC và GaN mới. Đề xuất thứ hai sẽ xác định bảng dữ liệu mà máy có thể đọc được.
Vào ngày 4 tháng 2021 năm XNUMX, dự án MessLeha sẽ tổ chức hội thảo trực tuyến để thu thập phản hồi từ các bên liên quan. Trong hai phiên thảo luận dành riêng, các đối tác của dự án sẽ thảo luận với những người tham gia các yêu cầu của họ đối với mô phỏng và tham số mô hình thiết bị cũng như đối với môi trường đo lường.
Đầu vào thu thập được trong các phiên này sẽ được đưa vào công việc đang diễn ra và các đề xuất tiêu chuẩn hóa kết quả. Nếu bạn muốn tham gia, bạn có thể tìm hiểu thêm về nội dung hội thảo và đăng ký trên trang web được cung cấp ở cuối bài viết này.
Liên kết website
Tài liệu tham khảo:
[1] Các tiêu chuẩn sau đây của bộ IEC 60747 có liên quan: Thiết bị bán dẫn IEC 60747-8 – Thiết bị rời rạc – Phần 8: Bóng bán dẫn hiệu ứng trường IEC 60747-9 Thiết bị bán dẫn – Phần 9: Thiết bị rời rạc – Bóng bán dẫn lưỡng cực có cổng cách điện (IGBTs) Thiết bị bán dẫn IEC 60747-15 – Thiết bị rời rạc – Phần 15: Thiết bị bán dẫn công suất cách ly
[2] P. Ziegler, N. Tröster, D. Schmidt, J. Ruthardt, M. Fischer và J. Roth-Stielow, “Cảm biến dòng điện băng thông rộng để đo dòng điện đi lại trong điện tử công suất chuyển mạch nhanh” trong EPE'20 ECCE Europe : Hội nghị Châu Âu lần thứ 22 về Điện tử Công suất và Ứng dụng, Lyon, 2020
[3] J. Weimer và I. Kallfass, “Tổn thất chuyển mạch mềm trong bóng bán dẫn điện GaN và SiC dựa trên phép đo nhiệt lượng mới,” Hội nghị chuyên đề quốc tế lần thứ 2019 năm 31 về thiết bị và IC bán dẫn công suất (ISPSD), Thượng Hải, Trung Quốc, 2019, pp .455-458, doi: 10.1109 / ISPSD.2019.8757650.
[4] D. Koch, S. Araujo và I. Kallfass, “Phân tích độ chính xác của phép đo tổn thất nhiệt lượng để đo điểm chuẩn cho bóng bán dẫn nguồn dải rộng trong hoạt động chuyển mạch mềm”, Hội thảo IEEE 2019 về thiết bị và ứng dụng điện dải rộng ở châu Á (WiPDA châu Á ), Đài Bắc, Đài Loan, 2019, trang 1-6, doi: 10.1109 / WiPDAAsia.2019.8760332.