Caratterizzazione di dispositivi wide bandgap

Per misurare le perdite di commutazione nei semiconduttori ad elevata banda proibita (WBG) ultraveloci, come il SiC e il GaN, è necessario il test a doppio impulso (DPT). Poiché le scansioni operative standard avvengono troppo rapidamente per isolare in modo netto le singole transizioni, il test a doppio impulso isola un singolo evento di accensione e spegnimento in presenza di livelli di corrente e tensione di riferimento controllati, al fine di calcolare con precisione la dissipazione di energia.

La perdita di commutazione è una grandezza energetica (espressa in joule) ottenuta moltiplicando la tensione istantanea ai capi del transistor per la corrente che lo attraversa, e successivamente integrando la forma d'onda di potenza per tutta la durata della transizione di commutazione.

Per misurare con precisione i fronti di commutazione ultraveloci (nell'ordine dei nanosecondi) dei semiconduttori in GaN e SiC, è necessario eliminare il rumore indotto dalla sonda e adeguare la larghezza di banda dell'hardware alla velocità del fronte di transizione.

Le sonde standard per oscilloscopi dotate di lunghi morsetti a coccodrillo di messa a terra generano un'induttanza parassita che distorce il segnale, creando sovraccarichi di tensione artificiali e oscillazioni che possono mascherare il vero comportamento del dispositivo. Per evitare ciò, i tecnici devono evitare tassativamente l'utilizzo dei cavi di messa a terra standard, optando invece per dispositivi di prova dedicati montati sul circuito stampato, come i connettori coassiali MMCX o corte molle metalliche di messa a terra premute direttamente contro il piano di massa locale.

La strumentazione deve essere selezionata in base al tempo di salita del fronte piuttosto che alla frequenza di commutazione, utilizzando la formula della frequenza di ginocchio ad alta velocità per garantire che la combinazione di oscilloscopio e sonda offra un margine di larghezza di banda sufficiente (in genere 1 GHz o superiore per un fronte di 1 ns). Per le misure critiche sul ramo alto in una configurazione a mezzo ponte, le sonde differenziali standard non dispongono del rapporto di reiezione in modalità comune (CMRR) necessario per resistere a salti di tensione estremi; pertanto, è necessario utilizzare sonde in fibra ottica con isolamento ottico (come la R&S®RT-ZISO) per isolare completamente lo strumento e bloccare le dispersioni in modalità comune.

Infine, poiché i calcoli di potenza moltiplicano contemporaneamente le forme d'onda di tensione e corrente, è necessario allineare fisicamente le sonde in anticipo utilizzando un dispositivo di calibrazione per la correzione dei disallineamenti, poiché uno sfasamento anche di un solo nanosecondo può alterare i parametri di commutazione calcolati di oltre il venti per cento.

Il parametro RDS(ON) rappresenta la resistenza interna totale tra i terminali di drain e source di un MOSFET quando è completamente acceso e opera nel suo stato di conduzione lineare. Questo parametro rappresenta il principale collo di bottiglia in termini di efficienza quando un transistor conduce attivamente la corrente, poiché determina direttamente la perdita di conduzione del sistema.

La perdita di conduzione è l'energia termica dissipata continuamente sotto forma di calore durante l'intero periodo in cui il transistor si trova nello stato “ON”. In base alla legge di Joule, essa aumenta con il quadrato della corrente efficace (RMS) di drain che attraversa il dispositivo. Ridurre al minimo l'RDS(ON) è fondamentale perché una perdita di conduzione eccessiva compromette l'efficienza complessiva del convertitore di potenza e genera un notevole stress termico che può mettere a rischio l'affidabilità del sistema.

I semiconduttori a banda larga come il SiC e il GaN offrono enormi vantaggi in questo ambito, poiché le loro proprietà materiali superiori consentono una densità di elettroni molto più elevata, permettendo loro di raggiungere una RDS(ON) estremamente bassa in un die di dimensioni fisiche significativamente più ridotte rispetto al silicio tradizionale.

Misurare la resistenza dinamica in conduzione, RDS(ON), di un MOSFET di potenza mentre è attivamente in commutazione all'interno di un circuito rappresenta una delle sfide più difficili nell'elettronica di potenza. Questa difficoltà deriva dal fatto che l'oscilloscopio deve misurare una minuscola caduta di tensione dell'ordine dei millivolt ai terminali del transistor quando questo è in stato ON, ma deve essere in grado di sopportare centinaia di volt sugli stessi identici terminali un microsecondo più tardi, quando il transistor passa allo stato OFF.

1. Metodo del circuito di bloccaggio (clamping)
Il metodo del circuito di bloccaggio consente di superare le estreme differenze di tensione tra gli stati ON e OFF di un transistor, proteggendo così l'oscilloscopio dalla saturazione dell'amplificatore di ingresso. Quando una sonda è collegata direttamente al drain, ingrandire l'immagine per rilevare una minima caduta di tensione dell'ordine dei millivolt durante lo stato ON causerà un picco di alta tensione dello stato OFF che abbaglierà gravemente e sovraccaricherà l'oscilloscopio, rendendo insignificanti i dati successivi. Per evitare che ciò accada, i tecnici inseriscono un dispositivo speciale che utilizza diodi ultraveloci per attenuare i picchi di tensione elevati nello stato OFF, consentendo all’oscilloscopio di misurare in modo sicuro la caduta di tensione reale e non saturata nello stato ON (RDS(ON)) su una scala verticale altamente sensibile.

2. Formula matematica diretta
La formula matematica diretta consente a un oscilloscopio di calcolare e rappresentare graficamente l'RDS(ON) in modo continuo nel dominio del tempo utilizzando la sua funzione matematica in tempo reale. Una volta che il circuito di bloccaggio (clamping) isola la caduta di tensione effettiva allo stato ON, l'oscilloscopio divide questa forma d'onda di tensione variabile nel tempo per la corrente di drain I_D rilevata contemporaneamente tramite un sensore di corrente ad ampia larghezza di banda, come ad esempio un resistore di visualizzazione della corrente (CVR). La formula che ne deriva, [RDS(ON)(t) = V_DS(ON)(t) / I_D(t)], consente ai tecnici di osservare visivamente come si stabilizza esattamente la resistenza interna del transistor subito dopo una transizione a commutazione rapida.

I test statici e dinamici rappresentano i due ambienti fondamentalmente diversi utilizzati per valutare la resistenza interna di un transistor. I test statici utilizzano un tracciatore di curve o un'unità di alimentazione e misura (SMU) per applicare segnali in corrente continua costanti a un dispositivo non a commutazione; tale metodo è ideale per la verifica di base delle specifiche tecniche, ma non riesce a riprodurre il funzionamento effettivo del sistema.

Per contro, i test dinamici misurano la resistenza mentre il dispositivo è attivamente in commutazione sotto carico, ad esempio durante un test a doppio impulso (DPT), il che è fondamentale per rilevare anomalie operative reali come i picchi temporanei dinamici di RDS(ON) causati dall'intrappolamento di carica ad alta tensione nei dispositivi in GaN e SiC.

Per “emissioni di commutazione” si intendono le interferenze elettromagnetiche indesiderate (EMI) e il rumore ad alta frequenza generati da un transistor durante le sue transizioni ultraveloci di accensione e spegnimento. Quando un semiconduttore di potenza cambia stato, la rapida variazione della tensione nel tempo (dv/dt) e della corrente nel tempo (di/dt) provoca la propagazione di energia ad alta frequenza nell'aria o la sua conduzione attraverso le piste del circuito, causando la distorsione del segnale o il malfunzionamento dei componenti.

Le misure di modo comune ad alto livello sono necessarie poiché i componenti chiave di un convertitore di potenza, in particolare il gate driver nel ramo superiore (high-side) e il transistor high-side in una configurazione standard a mezzo ponte, non sono collegati a una massa stabile del sistema. Al contrario, il loro nodo di riferimento (nodo di commutazione) è sottoposto a un’enorme onda di tensione che oscilla violentemente di centinaia o migliaia di volt tra le linee del bus DC durante ogni singolo evento di commutazione. Per rilevare i delicati segnali in millivolt che controllano questi commutatori high-side senza danneggiare le apparecchiature di prova né alterare i dati, la strumentazione deve essere in grado di “galleggiare” al di sopra di queste enormi oscillazioni di tensione in modalità comune e di ignorarle.

Di conseguenza, le tradizionali sonde differenziali ad alta tensione non sono più sufficienti per valutare le moderne soluzioni tecnologiche basate sui semiconduttori ad elevata banda proibita (WBG). La caratterizzazione dei fronti di commutazione ultraveloci richiede prestazioni ad ampia larghezza di banda (fino a 1 GHz o oltre) abbinate a un rapporto di reiezione in modo comune (CMRR) eccezionalmente elevato su tutto lo spettro di frequenza. Poiché i modelli di sonde di vecchia generazione presentano un CMRR che si degrada rapidamente alle alte frequenze, in questi scenari di test particolarmente impegnativi è necessario ricorrere a sistemi di misura specializzati e isolati otticamente.