Caracterização de semicondutores de banda proibida larga

A medição das perdas por comutação em semicondutores de banda proibida larga (WBG) ultrarrápidos, como os de SiC e o GaN, requer o teste de duplo pulso (DPT). Como as varreduras operacionais padrão ocorrem extremamente rápido para isolar transições individuais com precisão, o DPT isola um único evento de ativação e desativação (turn-on/off) sob linhas de base controladas de corrente e tensão para calcular a dissipação de energia com precisão.

A perda por comutação é uma medida de energia (expressa em joules) obtida pela multiplicação da tensão instantânea nos terminais do transistor pela corrente que o atravessa e, em seguida, pela integração dessa forma de onda de potência ao longo da duração da transição de comutação.

Para medir com precisão as bordas de comutação ultrarrápidas (da ordem de nanossegundos) dos semicondutores de GaN e SiC, é necessário eliminar o ruído induzido pela ponta de prova e ajustar a largura de banda do hardware à velocidade da borda de transição.

As ponta de prova padrão de osciloscópio com garras longas jacaré de aterramento introduzem indutância parasítica que distorce o sinal, criando picos de tensão artificiais e oscilações que podem mascarar o comportamento real do dispositivo. Para evitar isso, os engenheiros devem ignorar completamente os fios de aterramento padrão, optando, em vez disso, por adaptadores de teste específicos montados na placa de circuito impresso (PCB), como conectores coaxiais MMCX ou molas metálicas curtas de aterramento pressionadas diretamente contra o plano de aterramento local.

A instrumentação deve ser selecionada com base no tempo de subida de borda, e não na frequência de comutação, utilizando a fórmula de «knee frequency» (frequência de joelho) de alta velocidade para garantir que a combinação de osciloscópio e ponta de prova ofereça margem de largura de banda suficiente (normalmente 1 GHz ou mais para uma borda de 1 ns). Para medições críticas no lado alto em um layout de meia-ponte, as pontas de prova diferenciais padrão não possuem a razão de rejeição de modo comum (CMRR) necessária para suportar picos de tensão extremos; portanto, é necessário utilizar pontas de prova de fibra óptica com isolamento óptico (como a R&S®RT-ZISO) para isolar completamente o instrumento e bloquear o vazamento em modo comum.

Por fim, como os cálculos de potência multiplicam simultaneamente as formas de onda de tensão e corrente, as pontas de prova devem ser alinhadas fisicamente com antecedência por meio de um dispositivo de calibração para correção de defasagem, já que um desfasamento de sincronização de apenas um nanossegundo pode alterar as métricas de comutação calculadas em mais de 20%.

RDS(on) representa a resistência interna total entre os terminais de dreno e fonte (source) de um MOSFET quando ele está totalmente ligado e operando em seu estado de condução linear. Esse parâmetro constitui o principal gargalo para a eficiência enquanto um transistor está conduzindo corrente ativamente, pois determina diretamente a perda por condução do sistema.

A perda por condução é a energia térmica dissipada continuamente na forma de calor durante todo o período em que o transistor permanece no estado «ON». De acordo com a Lei de Joules, ela varia com o quadrado da corrente eficaz (RMS) de dreno que passa pelo dispositivo. Minimizar a RDS(on) é fundamental, pois perdas excessivas por condução prejudicam a eficiência geral do conversor de potência e geram um estresse térmico significativo que pode comprometer a confiabilidade do sistema.

Os semicondutores de banda proibida larga, como os de SiC e GaN, oferecem enormes vantagens nesse aspecto, pois suas propriedades materiais superiores permitem uma densidade de elétrons muito maior, possibilitando que alcancem uma RDS(on) ultrabaixa em um tamanho físico de chip significativamente menor em comparação com o silício tradicional.

Medir a resistência dinâmica em estado ligado, a RDS(on), de um MOSFET de potência enquanto ele está comutando ativamente dentro de um circuito é um dos maiores desafios da eletrônica de potência. Essa dificuldade surge porque o osciloscópio precisa medir uma minúscula queda de milivolts nos terminais do transistor quando ele está em condução (ON), mas precisa suportar centenas de volts nos mesmos terminais um microssegundo depois, quando o transistor bloqueia (OFF).

1. Método do circuito de fixação
O método do circuito de fixação supera as diferenças extremas de tensão entre os estados de condução e de bloqueio de um transistor para proteger o osciloscópio contra a saturação do amplificador de entrada. Quando uma ponta de prova é conectada diretamente ao dreno, ampliar («zoom in») para identificar uma minúscula queda de milivolts durante o estado ON fará com que a alta tensão do estado OFF cause um efeito de ofuscamento grave e sobrecarregue o osciloscópio, tornando os dados subsequentes sem sentido. Para evitar isso, os engenheiros instalam um dispositivo especializado que utiliza diodos ultrarrápidos para suprimir os picos elevados de tensão no estado de bloqueio (OFF), permitindo que o osciloscópio meça com segurança a queda de tensão real e não saturada no estado de condução (ON), RDS(on), em uma escala vertical de alta sensibilidade.

2. Fórmula matemática direta
A fórmula matemática direta permite que um osciloscópio calcule e mapeie a RDS(on) de forma contínua no domínio do tempo, utilizando sua função matemática em tempo real. Assim que o circuito de fixação isola a queda de tensão real no estado ON, o osciloscópio divide essa forma de onda de tensão variável no tempo pela corrente de dreno I_D simultânea, capturada por meio de um sensor de corrente de alta largura de banda, como um resistor de visualização de corrente (CVR). A fórmula resultante, [RDS(on)(t) = V_DS(on)(t) / I_D(t)], permite que os engenheiros observem visualmente como exatamente a resistência interna do transistor se estabiliza imediatamente após uma transição de comutação rápida.

Os testes dinâmicos e estáticos representam os dois ambientes fundamentalmente diferentes utilizados para avaliar a resistência interna de um transistor. Os testes estáticos utilizam um traçador de curvas ou uma Unidade de Fonte e Medida (SMU) para aplicar sinais contínuos de corrente contínua a um dispositivo não comutável, o que é ideal para a verificação básica das especificações técnicas, mas não consegue reproduzir o funcionamento real do sistema.

Por outro lado, os testes dinâmicos medem a resistência enquanto o dispositivo está ativamente comutando sob carga, como durante um teste de duplo pulso, o que é fundamental para detectar anomalias operacionais reais, como os picos dinâmicos temporários de RDS(on) causados pelo aprisionamento de carga de alta tensão em dispositivos de GaN e SiC.

A emissão de comutação refere-se à interferência eletromagnética indesejada (EMI) e ao ruído de alta frequência gerados por um transistor durante suas transições ultrarrápidas de ativação e desativação. Quando um semicondutor de potência muda de estado, a rápida variação da tensão em função do tempo (dv/dt) e da corrente em função do tempo (di/dt) faz com que a energia de alta frequência seja irradiada pelo ar ou conduzida pelas pistas do circuito, causando distorção do sinal ou mau funcionamento dos componentes.

É necessário realizar medições de modo comum sob alta tensão porque os principais componentes de um conversor de potência (especificamente o gate driver do lado alto e o transistor do lado alto em uma configuração padrão de meia-ponte) não estão conectados a um terra estável do sistema. Em vez disso, seu nó de referência (nó de comutação) é afetado por uma forma de onda de tensão de grande amplitude que oscila violentamente centenas ou milhares de volts para cima e para baixo entre os trilhos do barramento de corrente contínua a cada evento de comutação. Para capturar os delicados sinais de milivolts que controlam esses interruptores do lado alto sem danificar o equipamento de teste nem corromper os dados, a instrumentação deve ser capaz de se manter isolada e ignorar essas imensas oscilações de tensão em modo comum.

Consequentemente, as pontas de prova diferenciais convencionais de alta tensão não são mais suficientes para avaliar as modernas tecnologias de banda proibida larga (WBG). A caracterização de bordas de comutação ultrarrápidas exige desempenho de alta largura de banda (até 1 GHz ou mais), aliado a uma razão de rejeição em modo comum (CMRR) excepcionalmente alta em todo esse espectro de frequências. Como os designs de pontas de prova tradicionais apresentam uma rápida degradação da CMRR em altas frequências, é necessário utilizar sistemas de medição especializados e opticamente isolados nesses cenários de teste exigentes.