Caracterización de la banda prohibida ancha

Medir las pérdidas por conmutación en los semiconductores con banda prohibida ancha (WBG) ultrarrápidos como el SiC y el GaN requiere de pruebas de doble pulso (DPT). Ya que los barridos de funcionamiento estándar se producen con demasiada rapidez para aislar con claridad las transiciones individuales, las pruebas de doble pulso aíslan un único evento de encendido y apagado bajo líneas de base controladas de corriente y voltaje para calcular con precisión la disipación de energía.

La pérdida por conmutación es una medición de energía (expresada en joules) que se obtiene al multiplicar el voltaje instantáneo a través del transistor por la corriente que lo atraviesa, y luego integrar esa forma de onda de potencia en la duración de la transición de la conmutación.

Para medir los flancos de conmutación ultrarrápidos con precisión, del orden de los nanosegundos, de los semiconductores de GaN y SiC, debe eliminarse el ruido inducido por la sonda y adaptar el ancho de banda de su hardware a la velocidad del flanco de transmisión.

Las sondas estándar de osciloscopios con largas pinzas de tierra tipo cocodrilo introducen inductancia parasitaria que distorsiona la señal, lo que genera sobreimpulsos artificiales de voltaje y oscilaciones transitorias que enmascaran el real comportamiento del dispositivo. A fin de evitarlo, los ingenieros deben prescindir por completo de los cables de puesta a tierra estándar, en su lugar, deben optar por adaptadores especiales que se montan en la placa de circuito impreso, como conectores coaxiales MMCX o resortes de puesta a tierra metálicos cortos que se presionan directamente contra el plano de tierra local.

La instrumentación debe seleccionarse en función del tiempo de subida del flanco, en lugar de la frecuencia de conmutación, por medio de la fórmula de la frecuencia de codo de alta velocidad para asegurar que la combinación de osciloscopio y sonda proporcione un margen de maniobra de banda ancha suficiente (por lo general 1 GHz o mayor para un flanco de a 1). Para mediciones críticas del lado alto en un diseño de medio puente, las sondas diferenciales estándar carecen del factor de rechazo en modo común (CMRR) que se necesita para resistir pasos de voltaje extremos; por lo tanto, deben utilizarse sondas de fibra óptica con aislamiento óptico (como la R&S®RT-ZISO) a fin de aislar completamente el instrumento y bloquear las fugas.

Finalmente, ya que los cálculos de potencia multiplican el voltaje y las formas de onda de la corriente de manera simultánea, las sondas deben alinearse físicamente de antemano con un adaptador de deskew, ya que una desadaptación de sincronización de tan solo un nanosegundo puede alterar las métricas de conmutación calculadas por más de veinte por ciento.

RDS(on) representa la resistencia interna total entre los terminales de sumidero y fuente de un MOSFET cuando está completamente encendido y funciona en su estado de conducción lineal. Este parámetro constituye el principal cuello de botella para la eficiencia, mientras el transistor está transmitiendo corriente de manera activa, ya que determina directamente la pérdida de conducción del sistema.

La pérdida de conducción es la energía térmica continua que se disipa como calor durante toda la duración del estado de ENCENDIDO del transistor. Según la ley de Joules, varía exponencialmente con la corriente de sumidero de valor eficaz (RMS) que atraviesa el dispositivo. Minimizar el RDS(on) es fundamental, ya que una pérdida de conducción excesiva disminuye le eficiencia general del convertidor de potencia y genera un estrés térmico significativo que puede amenazar la confiabilidad del sistema.

Los semiconductores con banda prohibida ancha (WBG), como el SiC y el GaN proporcionan enormes ventajas en este aspecto, ya que sus propiedades materiales superiores permiten una densidad de electrones mucho mayor, lo que les permite alcanzar un RDS(on) ultrabajo en un tamaño de dado físico significativamente menor en comparación con el silicio convencional.

Medir la resistencia dinámica en estado de ENCENDIDO, RDS(on), de un MOSFET de potencia mientas se encuentra activamente conmutando dentro de un circuito es uno de los desafíos más difíciles en la electrónica de potencia. Esta dificultad surge porque el osciloscopio debe medir una minúscula caída en el orden de los milivoltios en el transistor cuando está encendido, pero debe sobrevivir a cientos de voltios en los mismos terminales, un microsegundo después, cuando en transistor se apaga.

1. Método del circuito de fijación (Clamping Circuit Method)
el método del circuito de fijación supera las diferencias extremas de voltaje entre los estados de encendido y apagado del transistor para proteger el osciloscopio de la saturación del amplificador de entrada. Cuando una sonda se conecta directamente al sumidero, ampliar la imagen para resolver una minúscula caída de milivoltios durante el estado de ENCENDIDO, el alto voltaje de estado APAGADO, saturará y sobrecargará severamente el osciloscopio, lo que hará que los datos posteriores carezcan de sentido. A fin de evitarlo, los ingenieros insertan un accesorio de fijación especializado, el cual utiliza diodos ultrarrápidos para cortar los picos altos de voltaje del estado APAGADO, lo que permite al osciloscopio medir de manera segura la caída de voltaje real y no saturado del estado ENCENDIDO RDS(on) en una escala vertical de alta sensibilidad.

2. Fórmula matemática directa:
la fórmula matemática directa le permite al osciloscopio calcular y mapear el estado RDS(on) de manera continua en el dominio del tiempo con una función matemática en tiempo real. Una vez que el circuito de fijación aísla la caída de voltaje real del estado ENCENDIDO, el osciloscopio divide esta forma de onda de voltaje, que varía a través del tiempo, por la corriente de sumidero I_D simultánea, la cual se captura por medio de un sensor de corriente de gran ancho de banda, como una resistencia de visualización de corriente (CVR). La fórmula que resulta, [RDS(ON)(t) = V_DS(ON)(t) / I_D(t)], les permite a los ingenieros observar exactamente cómo la resistencia interna del transistor se asienta inmediatamente después de una transición de conmutación rápida.

Las pruebas estáticas y dinámicas representan los dos entornos fundamentalmente diferentes que se utilizan para evaluar la resistencia interna del transistor. Las pruebas estáticas utilizan un trazador de curvas o una unidad de medición de fuente (SMU) para aplicar señales de CC constantes a un dispositivo que no realiza conmutaciones, lo cual resulta ideal para la verificación de referencia de la ficha técnica, pero falla al reproducir el funcionamiento real del sistema.

Por el contrario, las pruebas dinámicas miden la resistencia mientras el dispositivo está conmutando de manea activa bajo carga, como durante una prueba de doble pulso, lo cual es fundamental para capturar anomalías operativas en condiciones reales, como los picos dinámicos temporales de RDS(on) ocasionados por el atrapamiento de carga de alto voltaje en dispositivos de GaN y SiC.

Las emisiones de conmutación se refiere a la interferencia electromagnética (EMI) no deseada y al ruido de alta frecuencia generados por un transistor durante transiciones rápidas de encendido y apagado. Cuando un semiconductor de potencia cambia de estado, el cambio rápido tanto de voltaje en función del tiempo (dv/dt), como de corriente en función del tiempo (di/dt) obliga a la energía de alta frecuencia a irradiarse a través del aire o a conducirse por medio de trazas de circuito, lo que ocasiona la distorsión de la señal o el mal funcionamiento de los componentes.

Las mediciones elevadas en modo común son necesarias ya que los componentes clave en un convertidor de frecuencia, concretamente, el excitador de puerta del lado alto y el transistor del lado alto en una configuración estándar de medio puente, no se conectan a un sistema de puesta a tierra estable. En su lugar, su nodo de referencia (nodo conmutador) se desplaza en una enorme forma de onda de voltaje que oscila violentamente cientos o miles de voltios arriba y abajo entre las líneas del bus de CC durante cada evento de conmutación. A fin de capturar las delicadas señales de milivoltios, las cuales controla estos conmutadores de lado alto sin destruir el equipamiento ni corromper los datos, la instrumentación debe ser capaz de flotar por encima de estas inmensas oscilaciones de voltaje de modo común, así como ignorarlas.

En consecuencia, las sondas diferenciales de alto voltaje convencionales ya no son suficientes para evaluar las modernas tecnologías de banda prohibida ancha (WBG). Caracterizar los flancos de conmutación ultrarrápida requiere de un rendimiento de gran ancho de banda (hasta 1 GHz o más) junto con un factor de rechazo en modo común (CMRR) excepcionalmente alta en todo ese espectro de frecuencias. Dado que los diseños de sonda anteriores exhiben una rápida degradación del factor de rechazo en modo común a altas frecuencias, deben desplegarse en estos exigentes escenarios de prueba sistemas de medición ópticamente aislados especializados.