Caracterización de banda prohibida ancha

Para medir pérdidas por conmutación en semiconductores ultrarrápidos de banda prohibida ancha («Wide Bandgap» o WBG, por sus siglas en inglés), como los SiC y GaN, se requieren ensayos de doble pulso (o DPT, por sus siglas en inglés). Dado que los barridos de la operación estándar se producen demasiado rápido para aislar limpiamente transiciones individuales, el DPT aísla un único evento de encendido y apagado bajo condiciones controladas de tensión y corriente para calcular con precisión la energía disipada.

La pérdida por conmutación es una medida de energía (expresada en julios) que se obtiene multiplicando la tensión instantánea en el transistor por la corriente que lo atraviesa, e integrando esa forma de onda de potencia a lo largo de la duración de la transición de conmutación.

Para medir con precisión los flancos de conmutación ultrarrápidos en el rango de los nanosegundos que caracterizan a los semiconductores GaN y SiC hay que eliminar el ruido inducido por la sonda y adaptar el ancho de banda del hardware a la velocidad del flanco de transición.

Las sondas estándar para osciloscopios con pinzas de tierra largas de tipo cocodrilo introducen inductancia parásita que distorsiona la señal, generando sobreimpulsos y oscilaciones de tensión artificiales que pueden ocultar el verdadero comportamiento del dispositivo. Para evitarlo, los ingenieros deben prescindir por completo de los cables de tierra estándar y optar en su lugar por adaptadores de fijación montados directamente en la PCB, como conectores coaxiales MMCX o muelles de tierra metálicos cortos presionados directamente contra el plano de tierra local.

La instrumentación debe elegirse en función del tiempo de subida del flanco y no de la frecuencia de conmutación, utilizando la fórmula de frecuencia de rodilla de alta velocidad para garantizar que la combinación de osciloscopio y sonda disponga de suficiente margen de ancho de banda (generalmente 1 GHz o superior para un flanco de 1 ns). Para medidas críticas en el lado alto de una configuración de medio puente, las sondas diferenciales estándar carecen del factor de rechazo en modo común (CMRR) necesario para soportar escalones de tensión extremos; por ello, deben emplearse sondas de fibra óptica con aislamiento óptico (como las R&S®RT-ZISO) que aíslan completamente el instrumento y bloquean el acoplamiento de modo común.

Por último,dado que los cálculos de potencia multiplican simultáneamente las formas de onda de tensión y corriente, las sondas deben alinearse físicamente antes mediante un accesorio de compensación de sesgo (deskew) y calibración, ya que un desajuste temporal de tan solo un nanosegundo puede alterar en más de un veinte por ciento los parámetros de conmutación calculados.

RDS(ON) representa la resistencia interna total entre los terminales de drenador (D) y surtidor (S) de un MOSFET cuando está totalmente encendido y funciona en su estado de conducción lineal. Este parámetro constituye el principal cuello de botella de la eficiencia mientras un transistor conduce corriente de forma activa, ya que determina directamente la pérdida por conducción del sistema.

La pérdida por conducción es la energía térmica disipada en forma de calor durante toda la duración del estado «ON» del transistor. Según la ley de Joules, aumenta exponencialmente con el valor cuadrático medio (RMS) de la corriente de drenador que atraviesa el dispositivo. Reducir el valor de RDS(ON) al mínimo es fundamental, ya que una pérdida por conducción excesiva degrada la eficiencia del convertidor de potencia en su conjunto y genera un estrés térmico considerable que puede poner en peligro la fiabilidad del sistema.

Los semiconductores WBG, como los SiC y GaN, aportan grandes ventajas en este sentido, ya que las excelentes propiedades del material permiten una densidad de electrones muy superior, y con ello pueden alcanzar una RDS(ON) ultrabaja en un tamaño de chip mucho menor en comparación con el silicio tradicional.

Medir la resistencia de conducción dinámica o RDS(ON) de un MOSFET de potencia mientras está conmutando activamente dentro de un circuito es uno de los retos más difíciles de la electrónica de potencia. Este dificultad se debe a que el osciloscopio tiene que medir una pequeña caída de milivoltios a través del transistor cuando está encendido (ON), pero resistiendo cientos de voltios en los mismos terminales un microsegundo después cuando el transistor pasa al estado apagado (OFF).

1. Método «clamping circuit»
El método «clamping circuit» o de circuito limitador permite superar las diferencias de tensión extremas entre los estados ON y OFF del transistor para impedir que se produzca una saturación de los amplificadores de entrada del osciloscopio. Si se conecta una sonda directamente al drenador, al aplicar el zoom para distinguir una pequeña caída de milivoltios durante el estado ON, la alta tensión del estado OFF cegará y sobreexcitará gravemente el osciloscopio, haciendo inservibles los datos posteriores. Para evitarlo, los ingenieros insertan un elemento de fijación especial con diodos ultrarrápidos para recortar los picos de alta tensión del estado OFF, de modo que el osciloscopio pueda medir con seguridad la verdadera caída de tensión RDS(ON) del estado ON, sin saturación, en una escala vertical de alta sensibilidad.

2. Fórmula matemática directa
La fórmula matemática directa permite que el osciloscopio calcule y represente la RDS(ON) continuamente a lo largo del dominio temporal utilizando su función matemática en tiempo real. Una vez que el circuito limitador aísla la verdadera caída de tensión del estado ON, el osciloscopio divide esta forma de onda de tensión variable en el tiempo por la corriente de drenador concurrente I_D capturada a través de un sensor de corriente de gran ancho de banda, como una resistencia shunt. La fórmula resultante, [RDS(ON)(t) = V_DS(ON)(t) / I_D(t)], permite a los ingenieros comprobar visualmente con exactitud cómo se estabiliza la resistencia interna del transistor inmediatamente después de una transición de conmutación rápida.

Las pruebas estáticas y dinámicas representan los dos entornos fundamentalmente diferentes utilizados para evaluar la resistencia interna de un transistor. En las pruebas estáticas se utiliza un trazador de curvas o una unidad de medida de fuente (SMU) para aplicar señales de CC constantes a un dispositivo que no está conmutando, lo que resulta ideal para verificar los valores de referencia de la hoja de datos pero no sirve para replicar el funcionamiento real del sistema.

Por el contrario, en las pruebas dinámicas se mide la resistencia mientras el dispositivo está conmutando de forma activa bajo carga, p. ej. durante un ensayo de doble pulso, lo cual es imprescindible para capturar anomalías del funcionamiento en condiciones reales, como picos dinámicos transitorios de RDS(ON) provocados por atrapamientos de carga inducidos por alta tensión en dispositivos GaN y SiC.

La emisión de conmutación se refiere a la interferencia electromagnética (EMI) no deseada y al ruido de alta frecuencia que genera un transistor durante sus transiciones ultrarrápidas de encendido y apagado. Cuando un semiconductor de potencia conmuta entre estados, el cambio rápido de tensión en el tiempo (dv/dt) y de corriente en el tiempo (di/dt) genera energía de alta frecuencia radiada a través del aire o conducida a través de las pistas del circuito, distorsionando las señales o alterando el funcionamiento de los componentes.

Las medidas con alta tensión de modo común son necesarias porque los componentes clave de un convertidor de potencia, en particular el excitador de puerta de lado alto y el transistor de lado alto en una configuración de medio puente estándar, no se conectan a una masa del sistema estable. En su lugar, el nodo de referencia (nodo de conmutación) flota sobre una forma de onda de tensión masiva que oscila violentamente cientos o miles de voltios arriba y abajo entre los raíles del bus CC en cada evento de conmutación. Para capturar las sensibles señales de milivoltios que controlan estas conmutaciones de lado alto sin dañar el equipo de medida ni corromper los datos, el instrumento debe ser capaz de funcionar en configuración flotante y pasar por alto estas enormes oscilaciones de tensión de modo común.

En consecuencia, las sondas diferenciales de alta tensión convencionales ya no son suficientes para evaluar las tecnologías modernas de banda prohibida ancha (WBG). Para caracterizar flancos de conmutación ultrarrápida se necesita un rendimiento de gran ancho de banda (hasta 1 GHz o más) junto con un factor de rechazo en modo común (CMRR) excepcionalmente alto en todo el espectro de frecuencias. Puesto que los diseños de sonda antiguos presentan un CMRR que empeora rápidamente a altas frecuencias, en estas condiciones de ensayo tan exigentes deben emplearse sistemas de medida especiales con aislamiento óptico.