Caractérisation de large bande interdite

La mesure des pertes de commutation dans les semiconducteurs à large bande interdite ultra rapide (WBG) tels que SiC et GaN nécessite un DPT. Comme les balayages opérationnels standards se produisent trop rapidement pour isoler clairement des transitoires individuelles, le DPT isole un événement unique de mise sous / hors tension sous des consignes de base de courant et de tension contrôlées afin de calculer une dissipation d'énergie précise.

La perte de commutation est une mesure énergétique (exprimée en Joules) dérivée en multipliant la tension instantanée sur le transistor par le courant passant à travers ce dernier, puis en intégrant cette forme d'onde de puissance sur la durée de la transition de commutation.

Pour mesurer les fronts de commutation ultra rapides de l'ordre de la nanoseconde des semiconducteurs GaN et SiC précisément, vous devez éliminer le bruit induit de la sonde et régler la bande passante de votre matériel sur la vitesse du front de transition.

Les sondes d'oscilloscope standards dotées de pinces crocodiles introduisent une inductance parasite qui déforme le signal, créant des dépassements de tension artificiels et un enroulement qui peuvent masquer le vrai comportement de l'appareil. Pour éviter cela, les ingénieurs doivent contourner entièrement les câbles de mise à la terre standards, en optant plutôt pour des montages de test PCB dédiés, tels que des connecteurs coaxiaux MMCX ou des ressorts de masse courts en métal directement pressés contre le plan de masse local.

L'instrumentation doit être sélectionnée en se basant sur le temps de montée de front plutôt que la fréquence de commutation, en utilisant la formule de fréquence haut débit afin de s'assurer que la combinaison de l'oscilloscope et de la sonde fournisse assez de réserve de bande passante (généralement 1 GHz ou plus pour un front de 1 ns). Pour des mesures du niveau haut sensibles dans une couche demi-pont, des sondes différentielles standards ne disposent pas du rapport de réjection de mode commun (CMRR) nécessaire pour résister à des paliers de tensions extrêmes; par conséquent, des sondes à fibre optique à isolement optique (comme la R&S®RT-ZISO) doivent être déployées afin d'isoler complètement l'instrument et bloquer la fuite de mode commun.

Enfin, du fait que les calcules de puissance multiplient les formes d'ondes de tension et courant simultanément, les sondes doivent être physiquement alignées en utilisant au préalable un montage de correction d'étalonnage, car même un adaptateur de synchronisation d'une seule nanoseconde peut altérer les mesures de commutation calculées de plus de vingt pourcent.

Le RDS(ON) représente la résistance interne totale entre les bornes Drain et Source d'un MOSFET lorsqu'il est entièrement mis sous tension et fonctionne dans son état de conduction linéaire. Ce paramètre sert de goulot d'étranglement principal pour l'efficacité pendant qu'un transistor transmet activement un courant, car il définit directement les pertes de conduction du système.

Les pertes de conduction représentent l'énergie thermique continue dissipée en chaleur au cours de la durée complète de l'état "ON" sur le transistor. Selon la loi Joules, il évolue exponentiellement avec le courant de drain RMS passant à travers l'appareil. La réduction du RDS(ON) est sensible car des pertes excessives de conduction dégradent l'efficacité globale du convertisseur de puissance et génèrent une contrainte thermique significative qui peut menacer la fiabilité du système.

Les semiconducteurs WBG tels que SiC et GaN fournissent des avantages importants ici car leurs propriétés matérielles supérieures permettent une densité d'électrons beaucoup plus importante, leur permettant d'obtenir un RDS(ON) ultra faible dans un format significativement plus petit par rapport aux anciens en silicium.

La mesure de la résistance dynamique ,RDS(ON), d'un MOSFET de puissance pendant qu'il commute activement au sein d'un circuit est l'un des défis les plus difficiles en électronique de puissance. Cette difficulté existe car l'oscilloscope doit mesurer une chute étroite de l'ordre du millivolt sur le transistor lorsque ce dernier est actif (ON), mais résister à des centaines de volts sur exactement les mêmes bornes une microseconde plus tard lorsque le transistor est désactivé (OFF).

1. Méthode "Clamping Circuit"
a méthode du circuit de verrouillage permet de surmonter les différences de tension extrêmes entre les états ON et OFF d’un transistor afin de protéger l’oscilloscope contre la saturation de l’amplificateur d’entrée. Lorsqu'une sonde est connectée directement au drain, un zoom pour résoudre une chute étroite de l'ordre du millivolt sur l'état ON engendrera la tension élevée de l'état OFF afin rendre complètement aveugle et sur-multiplier l'oscilloscope, rendant les données ultérieures dénuées de sens. Pour empêcher cela, les ingénieurs insèrent un montage spécialisé en utilisant des diodes ultra rapides afin de couper les pics de tension de l'état OFF, permettant à l'oscilloscope de mesurer en toute sécurité la vraie chute de tension non saturée de l'état ON RDS(ON) à une échelle verticale très sensible.

2. Forme mathématique directe
La formule mathématique directe permet à un oscilloscope de calculer et cartographier le RDS(ON) en continu sur le domaine temporel en utilisant sa fonction math temps réel. Une fois que le circuit de verrouillage isole la vraie chute de tension à l'état ON, l'oscilloscope divise cette forme d'onde de tension variant dans le temps par le courant de drain concurrent I_D capturé via un capteur de courant à bande passante élevée, tel qu'une résistance de visualisation de courant (CVR). La formule résultante, [RDS(ON)(t) = V_DS(ON)(t) / I_D(t)], permet aux ingénieurs d'observer visuellement exactement comment la résistance interne du transistor est définie immédiatement après la transition de commutation rapide.

Les tests statique et dynamique représentent les deux environnements fondamentalement différents utilisés pour évaluer une résistance interne du transistor. Le test statique utilise un traceur de courbe ou une unité de mesure de source (SMU) afin d'appliquer des signaux DC stables sur un appareil de non commutation, ce qui est idéal pour une vérification de fiche technique de base mais échoue pour un fonctionnement système actuel dupliqué.

Inversement, le test dynamique mesure une résistance lorsque l'appareil commute activement sous charge, comme lorsqu'un DPT, qui est sensible pour capturer des anomalies opérationnelles réelles comme les pics RDS(ON) temporairement dynamiques causés par la charge haute tension dans les dispositifs GaN et SiC.

L'émission de commutation se réfère à une interférence électromagnétique indésirable (EMI) et un bruit haute fréquence généré par un transistor au cours de ses transitions ultra rapides de mise sous / hors tension. Lorsqu'un semiconducteur de puissance commute entre ses états, le changement rapide en tension en fonction du temps (dv/dt) et en courant en fonction du temps (di/dt) oblige l'énergie haute fréquence afin d'émettre dans l'air ou de conduire sur des circuits, engendrant une distorsion du signal ou un mauvais fonctionnement du composant.

Des mesures en mode commun élevé sont nécessaires car les principaux composants dans un convertisseur de puissance, en particulier la commande de porte à l'état haut et le transistor à l'état haut dans une configuration standard de demi-pont, ne se connecte pas à une masse stable du système. Au lieu de ça, leur noeud de référence (noeud de commutation) se place sur une forme d'onde de tension massive qui augmente ou diminue brutalement des centaines ou des milliers de volts entre les bus DC au cours de chaque événement de commutation unique. Pour capturer les délicats signaux millivolt commandant ces commutations à l'état hait sans détruire l'équipement de test ou corrompre les données, l'instrumentation doit être capable de passer au-dessus et ignorer ces importantes augmentations / diminutions de tension en mode commun.

Par conséquent, des sondes différentielles haute tension traditionnelles ne suffisent plus pour l'évaluation des technologies modernes à large bande interdite (WBG). La caractérisation des fronts de commutation ultra rapides nécessite une performance à bande passante élevée (jusqu'à 1 GHz ou plus) pairée avec un taux de réjection de mode commun exceptionnellement élevé (CMRR) sur ce spectre de fréquence entier. Du fait que les anciennes conceptions de sonde présentent une dégradation rapide du CMRR à fréquences élevées, des systèmes de mesure spécifiques isolés de manière optique doivent être déployés dans ces scénarios de test exigeants.