أحدثت أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة نقلة نوعية في أداء تحويل الطاقة. إذ تتميز ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) وترانزستورات HEMT المصنوعة من نتريد الغاليوم (GaN) بقدرتها على التبديل في غضون عشرات النانوثانية، بدلاً من مئات النانوثانية التي تميز ترانزستورات IGBT المصنوعة من السيليكون، وذلك عند فولتيات ودرجات حرارة وصلات أعلى. هذه السرعة هي ما يجعلها جذابة لتطبيقات محولات جر المركبات الكهربائية، وأجهزة الشحن المدمجة، ووحدات تزويد الطاقة للخوادم، ومحولات الطاقة الشمسية المتسلسلة - فهي تتميز بصغر حجمها المغناطيسي، وكفاءتها العالية، وكثافة طاقتها العالية. كما أنها تجعل قياس خسائر التبديل فيها بدقة أمرًا بالغ الصعوبة.
سرعان ما يكتشف مهندسو الطاقة الذين حاولوا توصيف جسر نصفي من كربيد السيليكون على طاولة الاختبار أن تقنيات القياس نفسها التي نجحت مع ترانزستور IGBT سيليكوني بجهد 600 فولت تبدأ بإنتاج أرقام غير منطقية بمجرد أن تتجاوز معدلات الحافة 50 فولت/نانو ثانية وتتجاوز معدلات تغير التيار 1-2 أمبير/نانو ثانية. يصبح الجهاز المستخدم، وليس الجهاز قيد الاختبار فقط، هو العامل المحدد - ومن بين القناتين المستخدمتين في حساب الفقد، يظهر هذا القيد أولاً في التيار. إن مسبار التيار المتردد/المستمر واسع النطاق، القادر على رصد حافة سريعة على نطاق النانو ثانية دون فقدان تيار الانحياز المستمر الأساسي الذي يعتمد عليه، هو ما يضمن دقة بقية سلسلة القياس.
لماذا يصبح قياس فقدان التبديل أكثر صعوبة مع أجهزة WBG؟
يُحسب فقد الطاقة أثناء التبديل بتكامل القدرة اللحظية - وهي حاصل ضرب جهد المصرف-المصدر (أو جهد المجمع-الباعث) وتيار المصرف (أو تيار المجمع) - خلال فترتي التشغيل والإيقاف. نظريًا، يبدو هذا بسيطًا. عمليًا، تعتمد دقة هذا التكامل كليًا على مدى دقة تسجيل أشكال موجات الجهد والتيار، وتتفاقم ثلاث مشكلات مع أجهزة WBG تحديدًا.
عرض النطاق الترددي ووقت الصعود. يحتوي ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون، والذي يعمل خلال 15-20 نانوثانية، على نطاق طيفي يصل إلى مئات الميغاهرتز. سيؤدي استخدام مسبار تيار بنطاق ترددي 50 أو 100 ميغاهرتز - وهو نطاق كافٍ تمامًا لتبديل ترانزستور IGBT المصنوع من السيليكون خلال 200-300 نانوثانية - إلى تقريب الحافة الأمامية للانتقال، وتقليل قيمة ذروة التيار، وتغيير التوقيت الظاهري لحدث التبديل بالنسبة لشكل موجة الجهد. أي من هذه الأخطاء يشوه تكامل الطاقة بشكل مباشر.
محاذاة الطور والتوقيت. نظرًا لقصر فترة التبديل، فإن حتى انحرافًا زمنيًا بسيطًا (بضع نانوثوانٍ) بين قناتي الجهد والتيار يُحدث خطأً كبيرًا في حسابات Eon وEoff. فعلى سبيل المثال، قد يؤدي عدم تطابق زمني قدره 5 نانوثانية، والذي يُعتبر خطأً بسيطًا في عملية تبديل سيليكونية مدتها 300 نانوثانية، إلى تغيير الخسارة المحسوبة لعملية تبديل SiC مدتها 15 نانوثانية بنسبة 20% أو أكثر. ولا يمكن تجاهل اختلافات زمن الانتشار بين المجسات، والتي غالبًا ما يتم تجاهلها في إعدادات الاختبار القديمة، في هذه الحالة.
مقاومة الإدخال والطفيليات الحلقية. أي مسبار تيار يُضيف مقاومة متسلسلة وحثًا حلقيًا إلى مسار القياس. عند مستويات di/dt التي تُنتجها أجهزة WBG، حتى بضعة نانوهنريات من الحث المُضاف تُولّد رنينًا قابلًا للقياس وتجاوزًا في الجهد لم يكن جزءًا من سلوك التبديل الأصلي للجهاز. يصبح المسبار جزءًا من الدائرة قيد الاختبار بدلًا من كونه مُراقبًا سلبيًا لها - وهذا هو السبب تحديدًا في ضرورة تقييم البنية الفيزيائية لمسبار التيار، وليس فقط مواصفات عرض نطاقه، عند استخدامه مع أجهزة WBG.
لماذا مسبار تيار متردد/مستمر هو العامل الحاسم
من بين شكلي الموجة اللازمين لحساب فقد التبديل، يُعدّ التيار أصعب بكثير في الحصول على قياس دقيق، وعادةً ما يكون اختيار مسبار التيار هو ما يميز قيمة Eon/Eoff الموثوقة عن قيمة تبدو معقولة ولكنها خاطئة. يمكن قياس الجهد باستخدام مسبار تفاضلي عالي الجهد مُعاوَض جيدًا، موضوع بالقرب من أطراف الجهاز مع مساحة حلقة صغيرة - وهو قياس ناضج نسبيًا وسهل القياس. يجب أن يراعي قياس التيار في آنٍ واحد عرض نطاق المسبار، ومقاومة الإدخال، وسلوك تشبع القلب، وبالنسبة للأجهزة التي تحمل تيار انحياز مستمر كبير مُضاف إلى عابر التبديل، القدرة على رصد حافة تيار متردد سريعة فوق إزاحة تيار مستمر كبيرة دون تشويه أي منهما.
في هذا المطلب الأخير، تبرز أهمية مجسات التيار المتردد/المستمر المصممة خصيصًا لهذا الغرض، بينما تعجز المجسات المصممة لأحد النظامين عن أداء الغرض المطلوب. يتضمن اختبار النبضة المزدوجة على جهاز من كربيد السيليكون أو نتريد الغاليوم عادةً تيارات محاثة تصل إلى عشرات الأمبيرات، ويحدث انتقال التبديل نفسه في نطاق نانوثانية واحدة. لا يمكن لمجس محول التيار المتردد فقط رصد مكون التيار المستمر في حالة الاستقرار، لأن محول التيار لا يستجيب عند التردد الصفري - سيُظهر الحافة لكنه سيفقد خط الأساس الذي ينتقل منه. من ناحية أخرى، يفتقر مجس تأثير هول للتيار المستمر فقط عادةً إلى عرض النطاق الترددي الكافي لتتبع حافة مدتها 15-20 نانوثانية دون تقريبها. ولا ينتج أي منهما، عند استخدامه منفردًا، شكل موجة يمثل ما فعله الجهاز فعليًا.
يحلّ مسبار التيار المتردد/المستمر هذه المشكلة بدمج عنصري الاستشعار في مسار قياس واحد: مستشعر تأثير هول يوفر استجابة دقيقة من التيار المستمر وصولاً إلى نطاق الترددات المنخفضة، ومسار يعتمد على محول تيار أو مقاومة تحويلية لمعالجة المحتوى عالي التردد السريع لحافة التبديل. تُعاد دمج الإشارتين داخليًا في خرج واحد مستمر. عند التنفيذ الأمثل، ينتج عن ذلك شكل موجي مسطح عبر نطاق التردد الكامل ذي الصلة بحدث تبديل WBG: دقيق عند مستوى انحياز التيار المستمر الذي يعمل عليه المحث، ودقيق خلال الفترة العابرة التي تبلغ مدتها نانوثانية والمتراكبة عليه. هذه الاستجابة المدمجة هي ما يجعل التكامل الناتج للقدرة v(t)×i(t) - وبالتالي قيم Eon/Eoff المشتقة منه - ذا معنى، وليس مجرد نتيجة لنصف شكل الموجة الذي التقطه المسبار بدقة.
نظرًا لأن هذه البنية ثنائية الاستشعار تؤدي وظيفتين، فإن ليس كل مجسات التيار المتردد/المستمر المتوفرة في السوق مناسبة بنفس القدر للعمل مع نطاقات التردد الواسعة (WBG). هناك بعض المواصفات التي تفوق أهمية رقم عرض النطاق الترددي المذكور في ورقة البيانات.
- زمن الصعود بالنسبة للجهاز قيد الاختبار. كقاعدة عامة، يجب أن يكون وقت صعود المجس أسرع بثلاث إلى خمس مرات على الأقل من أسرع حافة يتم قياسها، حتى لا تهيمن استجابة المجس نفسه على الانتقال المسجل.
- تأخير الانتشار ومطابقة التأخير. عادةً ما ينشر المصنعون رقمًا ثابتًا لتأخير الانتشار؛ يجب معرفة هذا الرقم والتعويض عنه، وليس افتراض أنه ضئيل.
- مقاومة إدخال منخفضة. تعمل مجسات التثبيت ذات القلب المنفصل ذات حجم الفتحة الصغير وطول مسار التيار القصير على تقليل الحث الحلقي الإضافي في حلقة التبديل.
- معالجة تيار الإزاحة المستمر. يحتاج المسبار إلى نطاق ديناميكي كافٍ لالتقاط تيار الانحياز المستمر الكامل دون تشبع القلب أثناء ذروة التحول العابر، حيث يمكن أن يرتفع التيار بشكل كبير فوق مستويات الحالة المستقرة.
- انتقال سلس بين مسار التيار المستمر/التردد المنخفض ومسار التيار المتردد. هذه هي المواصفة الفريدة لمجسات التيار المتردد/المستمر، وهي الأكثر إغفالاً. إذا لم يكن الانتقال بين مرحلتي تأثير هول ومحول التيار متطابقًا جيدًا من حيث الكسب والطور، فإن شكل الموجة المُعاد تجميعها يُظهر ارتفاعًا أو انخفاضًا أو خللًا زمنيًا حول تردد التقاطع - وغالبًا ما يقع في نطاق التردد الذي تتركز فيه طاقة حافة التبديل.
سير عمل عملي للقياس
تُجرى معظم عمليات توصيف فقد الطاقة أثناء التبديل لأجهزة كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) باستخدام اختبار النبضة المزدوجة (DPT)، الذي يعزل حدث تشغيل وإيقاف واحد في ظل ظروف تيار وجهد مضبوطة دون تراكم الحرارة الناتج عن التبديل المستمر. ويتبع الحصول على قيم موثوقة لجهد التشغيل/الإيقاف (Eon/Eoff) من إعداد اختبار النبضة المزدوجة تسلسلًا ثابتًا بشكل عام.
1. قم بتصحيح انحراف قنوات الجهد والتيار قبل أخذ أي بيانات. يتم ذلك عن طريق تمرير إشارة معروفة - غالبًا ما تكون حافة سريعة من مولد نبضات - عبر كل من مسبار التيار ومسبار الجهد في آنٍ واحد باستخدام جهاز تصحيح الانحراف، ثم تطبيق إزاحة زمنية على راسم الإشارة حتى تتطابق الحافتان. يُعدّ تخطي هذه الخطوة السبب الأكثر شيوعًا لظهور قيم خاطئة لفقدان التبديل في اختبارات فجوة النطاق العريض.
2. ضع مسبار التيار في حلقة التبديل بأقل مساحة إضافية ممكنة للحلقة. ينبغي وضع المسبار بالقرب من الجهاز قيد الاختبار قدر الإمكان عمليًا، ويفضل أن يكون ذلك في سلك المصدر أو المصرف بدلاً من وضعه في مكان أبعد في تصميم لوحة الدوائر المطبوعة، لتجنب التقاط الرنين الاستقرائي الشارد الذي لا يمثل سلوك التبديل الجوهري للجهاز.
3. تحقق من عرض نطاق المسبار مقابل معدلات الحافة الفعلية الملاحظة، وليس المعدلات المفترضة. من المفيد التقاط عملية الانتقال عند التشغيل والتحقق من قيم dV/dt و dI/dt المقاسة مقابل عرض النطاق الترددي المحدد للمسبار قبل الوثوق بأرقام الطاقة الناتجة - يمكن أن يؤدي التباين من جهاز إلى آخر ومن مشغل بوابة إلى آخر إلى دفع معدلات الحافة إلى أعلى من المتوقع.
4. دمج الطاقة ضمن نطاق محدد بشكل ثابت. يُعرَّف كلٌّ من Eon و Eoff عادةً على أنهما تكامل v(t)×i(t) من النقطة التي ينحرف فيها الجهد أو التيار لأول مرة عن قيمته في حالة الاستقرار، وحتى النقطة التي يستقر فيها كلاهما ضمن نسبة مئوية محددة من القيمة النهائية. ويُعدّ استخدام نافذة زمنية ثابتة وموثقة أمرًا بالغ الأهمية عند مقارنة قيم الفقد عبر أجهزة مختلفة، أو مقاومات بوابة مختلفة، أو درجات حرارة مختلفة.
5. كرر ذلك عبر نطاق التشغيل. نظرًا لأن فقد الطاقة أثناء التبديل في أجهزة WBG يعتمد بشكل كبير على التيار، وجهد ناقل البيانات، ومقاومة البوابة، ودرجة حرارة الوصلة، فإن نقطة بيانات واحدة عند حالة تشغيل معينة لا تُعطي سوى معلومات ضئيلة جدًا حول كيفية أداء الجهاز عبر النطاق الكامل الذي يتطلبه التطبيق. لذا، فإن منحنيات فقد الطاقة كدالة للتيار والجهد، والمأخوذة عند درجات حرارة متعددة، هي التي تُغذي نموذج كفاءة واقعي.
تؤثر خيارات الأجهزة على التصميم
تُسهم بيانات فقد الطاقة الناتجة عن اختبارات الأداء في تحسين التصميم الحراري، وتحديد حجم المشتت الحراري، وقياس كفاءة النظام النهائي. قد يؤدي انخفاض قيمة Eoff المُسجلة باستخدام مسبار تيار ذي نطاق ترددي ضيق إلى استخدام مشتت حراري صغير الحجم، وظهور مشكلة في الهامش الحراري لا تظهر إلا عند طرح المنتج في السوق. في المقابل، قد تُظهر القياسات الخاطئة الناتجة عن زيادة الحث عند إدخال المسبار أداءً أسوأ للجهاز مما هو عليه في الواقع، مما يؤدي إلى قرارات حرارية وتخفيضات في القدرة أكثر تحفظًا، وبالتالي أكثر تكلفة.
بالنظر إلى مدى تأثير هذه الأرقام المباشر على قرارات التصميم اللاحقة، فإن مسبار التيار المستخدم في تحديد خصائص فقد التبديل يستحق على الأقل نفس القدر من التدقيق الذي تُولى به أجهزة الطاقة نفسها. وبالنسبة لتطبيقات WBG تحديدًا، يعني ذلك استخدام مسبار تيار متردد/مستمر بدلاً من بديل يقتصر على التيار المتردد أو المستمر فقط. إنه جهاز الاختبار الوحيد الموجود مباشرةً في مسار التبديل، والمسؤول عن الإبلاغ عن كلٍ من تيار الحالة المستقرة الذي ينتقل منه الجهاز والتيار العابر الذي يمر به خلال فترة زمنية قصيرة جدًا (بالنانو ثانية)، دون إضافة أي تشويه خاص به. لا تُعد كل من عرض النطاق الترددي، وتأخير الانتشار، ومقاومة الإدخال، والنطاق الديناميكي للتيار المستمر، وجودة التقاطع، مواصفات ثانوية لهذا التطبيق، بل إنها مجتمعةً تُحدد ما إذا كانت قيم Eon/Eoff الناتجة تعكس أداء الجهاز قيد الاختبار أم حدود المسبار الذي يقيسه. إن ضبط هذا الجهاز بدقة هو، بمعنى ملموس، ما يجعل كل حسابات الكفاءة والحرارة اللاحقة موثوقة.