Charakterisierung von Wide-Bandgap-Halbleitern

Die Messung von Schaltverlusten bei ultraschnellen Wide-Bandgap-Halbleitern (WBG) wie SiC und GaN erfordert Doppelpulstests (DPT). Da im normalen Schaltbetrieb die einzelnen Übergänge zu schnell aufeinanderfolgen, um sie sauber zu isolieren, isoliert der DPT ein einzelnes Ein- und Ausschaltereignis unter kontrollierten Strom- und Spannungsbedingungen, um die genaue Verlustenergie zu berechnen.

Der Schaltverlust ist eine Energiemessung (angegeben in Joule), die sich aus der Multiplikation der momentanen Spannung am Transistor mit dem durch ihn fließenden Strom und der anschließenden Integration dieser Leistungskurve über die Dauer des Schaltvorgangs ergibt.

Um die ultraschnellen Schaltflanken (im Nanosekundenbereich) von GaN- und SiC-Halbleitern präzise zu messen, müssen Sie tastkopfbedingtes Rauschen eliminieren und die Bandbreite Ihrer Hardware auf die Geschwindigkeit der Übergangsflanke abstimmen.

Standard-Oszilloskop-Tastköpfe mit langen Krokodilklemmen als Masseanschluss bringen parasitäre Induktivitäten ein, die das Signal verzerren und künstliche Spannungsüberschwinger sowie Ringing erzeugen – Artefakte, die das tatsächliche Verhalten des Bauelements verdecken können. Um dies zu verhindern, müssen Ingenieure auf herkömmliche Masseleitungen vollständig verzichten und stattdessen spezielle, auf der Leiterplatte montierte Testadapter verwenden, etwa MMCX-Koaxialsteckverbinder oder kurze Massekontaktfedern, die direkt auf die lokale Massefläche gedrückt werden.

Die Messtechnik muss nach der Flankenanstiegszeit ausgewählt werden, nicht nach der Schaltfrequenz – anhand der Formel für die Knickfrequenz ist sicherzustellen, dass Oszilloskop und Tastkopf zusammen ausreichend Bandbreitenreserve bieten (bei einer Flanke von 1 ns typischerweise 1 GHz oder mehr). Bei kritischen High-Side-Messungen in einem Halbbrücken-Layout verfügen Standard-Differenzialtastköpfe nicht über das erforderliche Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR), um extremen Spannungssprüngen standzuhalten; daher müssen optisch isolierte Tastköpfe (wie der R&S®RT-ZISO) eingesetzt werden, die das Messgerät vollständig isolieren und Gleichtaktströme blockieren.

Da bei der Leistungsberechnung Spannungs- und Stromsignalform miteinander multipliziert werden, müssen die Tastköpfe zuvor mit einer Laufzeitkalibriereinheit zeitlich abgeglichen werden – schon ein Versatz von einer einzigen Nanosekunde kann die berechneten Schaltkennwerte um über zwanzig Prozent verfälschen.

Mit RDS(on) wird der gesamte Innenwiderstand zwischen den Drain- und Source-Anschlüssen eines vollständig durchgeschalteten MOSFET im ohmschen Bereich bezeichnet. Dieser Parameter ist der wichtigste begrenzende Faktor für den Wirkungsgrad, solange der Transistor Strom führt, da er die Leitungsverluste des Systems unmittelbar bestimmt.

Leitungsverluste sind die thermische Energie, die während der gesamten Einschaltdauer des Transistors kontinuierlich als Wärme abgegeben wird. Nach dem Joule'schen Gesetz steigen diese quadratisch mit dem Effektivwert (RMS) des Drain-Stroms an, der durch das Bauelement fließt. Die Minimierung des RDS(ON) ist entscheidend, da ein übermäßiger Leitungsverlust den Gesamtwirkungsgrad des Leistungswandlers verschlechtert und erhebliche thermische Belastung erzeugt, die die Systemzuverlässigkeit gefährden kann.

WBG-Halbleiter wie SiC und GaN bieten hier enorme Vorteile, da ihre überlegenen Materialeigenschaften eine deutlich höhere Elektronendichte ermöglichen und so ein extrem niedriger RDS(ON) bei einer deutlich kleineren physischen Chipgröße im Vergleich zu herkömmlichem Silizium erreicht werden kann.

Die Messung des dynamischen Einschaltwiderstands, RDS(ON), eines Leistungs-MOSFET während des laufenden Schaltbetriebs innerhalb einer Schaltung zählt zu den schwierigsten Aufgaben der Leistungselektronik. Die Schwierigkeit rührt daher, dass das Oszilloskop im ON-Zustand einen Spannungsabfall von wenigen Millivolt über dem Transistor messen muss, eine Mikrosekunde später aber an genau denselben Anschlüssen mehrere hundert Volt verkraften muss, wenn der Transistor abschaltet.

1. Clamping-Schaltung
Die Clamping-Schaltung überwindet die extremen Spannungsunterschiede zwischen dem ON- und dem OFF-Zustand eines Transistors, um das Oszilloskop vor einer Sättigung des Eingangsverstärkers zu schützen. Ist der Tastkopf direkt am Drain angeschlossen, führt das Hineinzoomen auf den Spannungsabfall von wenigen Millivolt im ON-Zustand dazu, dass die hohe Spannung im OFF-Zustand das Oszilloskop massiv übersteuert und die nachfolgenden Messdaten unbrauchbar macht. Um das zu vermeiden, setzen Ingenieure einen speziellen Adapter mit ultraschnellen Dioden ein, der die hohen Spannungsspitzen im OFF-Zustand abschneidet. So lässt sich der tatsächliche, von Sättigungseffekten unverfälschte Spannungsabfall RDS(ON) im ON-Zustand bei sehr empfindlicher Vertikalskalierung sicher messen.

2. Direkte mathematische Formel
Die direkte mathematische Formel ermöglicht es einem Oszilloskop, RDS(ON) mit Hilfe seiner Echtzeit-Mathematikfunktion kontinuierlich über den Zeitbereich hinweg zu berechnen und darzustellen. Sobald die Clamping-Schaltung den tatsächlichen Spannungsabfall im ON-Zustand isoliert, dividiert das Oszilloskop diesen zeitveränderlichen Spannungsverlauf durch den zeitgleichen Drain-Strom I_D, der über einen hochbandbreitigen Stromsensor, etwa einen Strommesswiderstand (Current Viewing Resistor, CVR), erfasst wird. Die resultierende Formel [RDS(ON)(t) = V_DS(ON)(t) / I_D(t)] ermöglicht es Ingenieuren, visuell zu verfolgen, wie sich der Innenwiderstand des Transistors unmittelbar nach einem schnellen Schaltvorgang einstellt.

Statische und dynamische Tests sind zwei grundlegend verschiedene Ansätze zur Bewertung des Innenwiderstands eines Transistors. Beim statischen Test werden mit einem Kennlinienschreiber oder einer Source Measure Unit (SMU) konstante Gleichstromsignale an ein nicht schaltendes Bauelement angelegt. Diese Methode eignet sich gut zur Verifizierung der Datenblattwerte, bildet den tatsächlichen Systembetrieb aber nicht ab.

Beim dynamischen Test wird der Widerstand dagegen im laufenden Schaltbetrieb unter Last gemessen, etwa während eines Doppelpulstests. Das ist entscheidend, um Anomalien des realen Betriebs zu erfassen – beispielsweise die kurzzeitig erhöhten dynamischen RDS(ON)-Werte, die bei GaN- und SiC-Bauelementen durch das Einfangen von Ladungsträgern bei hoher Spannung entstehen.

Als Schaltemissionen bezeichnet man unerwünschte elektromagnetische Störungen (EMI) und hochfrequente Rauschanteile, die ein Transistor während seiner extrem schnellen Ein- und Ausschaltvorgänge erzeugt. Beim Zustandswechsel eines Leistungshalbleiters führen die hohen dv/dt- und di/dt-Werte dazu, dass hochfrequente Energie über die Luft abgestrahlt oder über die Leiterbahnen geleitet wird, was Signalverzerrungen oder Fehlfunktionen von Bauelementen zur Folge haben kann.

Messungen bei hohen Gleichtaktspannungen sind erforderlich, weil zentrale Komponenten eines Leistungswandlers – insbesondere der High-Side-Gate-Treiber und der High-Side-Transistor in einer üblichen Halbbrücke – nicht mit einer stabilen Systemmasse verbunden sind. Ihr Bezugsknoten, der sogenannte Schaltknoten, liegt stattdessen auf einer Signalform mit gewaltigem Hub, die bei jedem einzelnen Schaltvorgang um Hunderte oder Tausende Volt zwischen den Gleichstromschienen auf- und abspringt. Um die empfindlichen Millivolt-Signale zu erfassen, die diese High-Side-Schalter ansteuern – ohne die Testgeräte zu zerstören oder die Messdaten zu verfälschen –, muss die Messtechnik diesen enormen Gleichtaktsprüngen potenzialfrei folgen und sie ausblenden können.

Herkömmliche Hochspannungs-Differenzialtastköpfe reichen daher für die Bewertung moderner Wide-Bandgap-Technologien (WBG) nicht mehr aus. Die Charakterisierung extrem schneller Schaltflanken erfordert eine hohe Bandbreite (bis 1 GHz oder mehr) in Verbindung mit einem außerordentlich hohen Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) über diesen gesamten Frequenzbereich. Da das CMRR älterer Tastkopfkonzepte bei hohen Frequenzen rapide abnimmt, müssen in diesen anspruchsvollen Testszenarien spezielle optisch isolierte Messsysteme eingesetzt werden.