Определение характеристик полупроводников с широкой запрещенной зоной

Для измерения потерь на переключение в полупроводниках SiC и GaN с очень широкой запрещенной зоной требуются двухимпульсные испытания (DPT). В нормальном режиме работы развертка происходит слишком быстро, не позволяя четко выделить отдельные переходные процессы, поэтому метод DPT выделяет отдельные события включения и выключения при контролируемых значениях напряжения и тока, чтобы затем точно рассчитать рассеяние энергии.

Потери при переключении определяются как количество энергии (в джоулях), полученное путем умножения мгновенного напряжения на транзисторе и протекающего через транзистор тока, после чего берется интеграл полученной кривой мощности по времени переключения.

Чтобы точно измерить очень крутые фронты переключения полупроводников GaN и SiC длительностью в несколько наносекунд, необходимо устранить шум пробника и согласовать полосу пропускания оборудования со скоростью переключения.

Стандартные пробники для осциллографов с длинными проводами заземления с зажимом «крокодил» вносят паразитную индуктивность, которая искажает сигнал и вызывает искусственные выбросы напряжения, искажающие реальные характеристики устройства. Во избежание этого эффекта необходимо полностью отказаться от традиционных проводов заземления и вместо них использовать специализированные приспособления для монтажа на печатную плату. Например, это могут быть коаксиальные разъемы MMCX или короткие металлические заземляющие пружины, которые прижимаются непосредственно к локальной заземляющей шине.

При подборе приборов следует учитывать время нарастания фронта, а не частоту переключения, а также использовать формулу частоты излома для высокоскоростных сигналов, чтобы гарантировать наличие достаточного запаса полосы пропускания для комбинации осциллографа и пробника (как правило, 1 ГГц или выше для фронта 1 нс). При проведении критических измерений в верхнем плече полумостовой схемы стандартные дифференциальные пробники не обладают необходимым коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR) для работы в условиях экстремальных перепадов напряжения. В связи с этим необходимо использовать волоконно-оптические пробники с оптической изоляцией (например, R&S®RT-ZISO), чтобы полностью изолировать прибор и исключить проникновение синфазного сигнала.

И наконец, поскольку при расчетах мощности производится одновременное умножение кривых напряжения и тока, необходимо заранее физически выровнять пробники с помощью калибровочного выравнивающего приспособления, т. к. рассогласование синхронизации даже в одну наносекунду может исказить расчетные значения переключения более чем на 20 %.

RDS(ON) — это общее внутреннее сопротивление между выводами стока и истока МОП-транзистора, когда он полностью включен и работает в линейном режиме проводимости. Данный параметр служит первым показателем эффективности, т. к. он напрямую определяет потери системы на проводимость, когда транзистор активно пропускает ток.

Потери на проводимость — это тепловая энергия, непрерывно выделяемая в течение всего времени, когда транзистор находится во включенном состоянии. По закону Джоуля это значение растет экспоненциально пропорционально среднеквадратичному значению тока стока, протекающего через устройство. Необходимо свести к минимуму значение RDS(ON), поскольку избыточные потери на проводимость снижают общую эффективность силового преобразователя и создают значительную тепловую нагрузку, которая может представлять угрозу для надежности работы системы.

Здесь полупроводники с широкой запрещенной зоной, такие как SiC и GaN, дают огромные преимущества, т. к. их превосходные свойства материалов допускают значительно более высокую электронную плотность, позволяя достигать очень низкого значения RDS(ON) при намного меньших физических размерах кристалла по сравнению с традиционным кремнием.

Измерение динамического сопротивления RDS(ON) силового МОП-транзистора в открытом состоянии, когда он активно пропускает ток внутри схемы, входит в число наиболее сложных задач силовой электроники. Главная трудность заключается в том, что осциллограф должен измерять крошечный перепад напряжения на уровне милливольт, когда транзистор находится в проводящем состоянии, и выдерживать напряжение на уровне сотен вольт на тех же выводах всего лишь микросекунду спустя, когда транзистор переходит в закрытое состояние.

1. Метод схемы фиксации уровня
Метод схемы фиксации уровня преодолевает экстремальные различия в напряжении между открытым и закрытым состоянием транзистора, защищая осциллограф от насыщения входного усилителя. Если пробник напрямую подключается к стоку, увеличение масштаба в целях регистрации крошечного перепада напряжения на уровне милливольт в открытом состоянии транзистора приведет к тому, что высокое напряжение в закрытом состоянии транзистора вызовет ослепление и перегрузку осциллографа и сделает последующие данные бессмысленными. Во избежание этого необходимо установить специальное приспособление с быстродействующими диодами для отсечки пиков напряжения в закрытом состоянии. В результате осциллограф сможет безопасно измерять истинное, ненасыщенное значение RDS(ON) при перепаде напряжения в открытом состоянии на очень чувствительной вертикальной шкале.

2. Прямая математическая формула
Прямая математическая формула позволяет осциллографу рассчитывать и непрерывно отображать значение RDS(ON) во временной области с помощью встроенной функции математических операций в реальном масштабе времени. При условии, если схема фиксации уровня изолирует истинный перепад напряжения в открытом состоянии, осциллограф делит эту изменяемую по времени кривую напряжения на соответствующий ток стока I_D, измеряемый датчиком тока с широкой полосой пропускания (например, токоиндикаторный резистор CVR). Используя соответствующую формулу [RDS(ON)(t) = V_DS(ON)(t) / I_D(t)], разработчики могут визуально наблюдать за установлением внутреннего сопротивления транзистора немедленно после быстрого переключения.

Статические и динамические испытания представляют собой два фундаментально различающихся подхода к анализу внутреннего сопротивления транзистора. При статическом испытании используется устройство слежения за кривой или источник-измеритель для подачи стабильных сигналов постоянного тока на непереключающее устройство, что идеально подходит для верификации базовой технической спецификации, но не отображает реальную работу системы.

В отличие от этого, при динамическом испытании сопротивление измеряется при активном переключении устройства под нагрузкой (по аналогии с DPT), что очень важно для регистрации аномалий в реальных условиях эксплуатации, таких как временные динамические броски RDS(ON) по причине захвата высоковольтного заряда в устройствах GaN и SiC.

Излучения при переключении — это нежелательные электромагнитные помехи и высокочастотный шум, которые генерируются транзистором при очень быстрых переходных процессах включения и выключения. При переключении состоянии силового полупроводника быстрое изменение напряжения по времени (dv/dt) и тока по времени (di/dt) вызывает излучение ВЧ-энергии по воздуху или протекание ВЧ-энергии через проводники печатной платы, что ведет к искажению сигнала или сбоям в работе компонентов.

Измерения при высоком синфазном напряжении необходимы потому, что основные компоненты силовых преобразователей, особенно драйвер затвора и транзистор верхнего плеча в стандартной полумостовой конфигурации, не подключаются к стабильному заземлению системы. Вместо этого их опорный узел (узел коммутации) имеет размашистую кривую напряжения, которая яростно нарастает и снижается на сотни или тысячи вольт между шинами постоянного тока при каждом событии переключения. Чтобы регистрировать слабые сигналы на уровне милливольт, которые управляют переключениями ключей верхнего плеча, без риска разрушения испытательного оборудования или искажения данных, приборы должны быть способны работать при высоком плавающем потенциале и игнорировать такие огромные перепады синфазного напряжения.

Соответственно, традиционные высоковольтные дифференциальные пробники больше не отвечают современным требованиям к анализу полупроводников с широкой запрещенной зоной. Для определения характеристик очень крутых фронтов при переключении устройств требуются приборы с широкой полосой пропускания (до 1 ГГц или более) и очень высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR) в полном диапазоне частот. В традиционных пробниках наблюдается быстрое ухудшение CMRR на высоких частотах, поэтому в таких сложных тестовых сценариях необходимо использовать специализированные измерительные системы с оптической развязкой.