Los semiconductores de banda prohibida ancha han redefinido el rendimiento de la conversión de energía. Los MOSFET de carburo de silicio (SiC) y los HEMT de nitruro de galio (GaN) conmutan en decenas de nanosegundos, en lugar de los cientos de nanosegundos típicos de los IGBT de silicio, y lo hacen a voltajes y temperaturas de unión más elevadas. Esta velocidad es precisamente lo que los hace atractivos para inversores de tracción de vehículos eléctricos, cargadores integrados, fuentes de alimentación para servidores e inversores de cadena solar: menor tamaño de los componentes magnéticos, mayor eficiencia y mayor densidad de potencia. También es lo que dificulta enormemente la medición precisa de sus pérdidas de conmutación.
Los ingenieros de potencia que han intentado caracterizar un medio puente de SiC en un banco de pruebas descubren rápidamente que las mismas técnicas de medición que funcionaron bien para un IGBT de silicio de 600 V comienzan a producir valores inconsistentes una vez que las velocidades de flanco superan los 50 V/ns y las velocidades de variación de corriente exceden 1-2 A/ns. La instrumentación, y no solo el dispositivo bajo prueba, se convierte en el factor limitante; y de los dos canales que alimentan el cálculo de pérdidas, la corriente es donde se manifiesta primero esta limitación. Una sonda de corriente CA/CC de banda ancha, capaz de resolver un flanco rápido a escala de nanosegundos sin perder la corriente de polarización CC subyacente, es lo que mantiene la precisión del resto de la cadena de medición.
¿Por qué la medición de pérdidas por conmutación se vuelve más difícil con los dispositivos WBG?
La pérdida por conmutación se calcula integrando la potencia instantánea —el producto de la tensión drenador-fuente (o colector-emisor) y la corriente drenador (o colector)— durante los intervalos de transición de encendido y apagado. En teoría, esto es sencillo. En la práctica, la precisión de esta integral depende totalmente de la fidelidad con la que se capturen las formas de onda de tensión y corriente, y tres problemas se agravan en el caso particular de los dispositivos WBG.
Ancho de banda y tiempo de subida. Un MOSFET de SiC que se activa en 15-20 ns tiene un contenido espectral que se extiende hasta los cientos de megahercios. Una sonda de corriente con un ancho de banda de 50 MHz o 100 MHz —perfectamente adecuado para un IGBT de silicio que conmuta en 200-300 ns— suavizará el flanco ascendente de la transición, subestimará la corriente máxima y alterará la sincronización aparente del evento de conmutación con respecto a la forma de onda de voltaje. Cualquiera de estos errores distorsiona directamente la integral de energía.
Alineación de fases y tiempos. Debido a la brevedad del intervalo de conmutación, incluso una diferencia de tan solo unos nanosegundos entre los canales de voltaje y corriente produce un error desproporcionado en los valores calculados de Eon y Eoff. Un desajuste temporal de 5 ns, que en una transición de silicio de 300 ns sería un error de redondeo, puede modificar la pérdida calculada en una transición de SiC de 15 ns en un 20 % o más. Las diferencias en el retardo de propagación entre sondas, que suelen ignorarse en las configuraciones de prueba de la era del silicio, no pueden pasarse por alto en este caso.
Impedancia de inserción y efectos parásitos del bucle. Cualquier sonda de corriente añade cierta impedancia en serie e inductancia de bucle a la ruta de medición. A los niveles de di/dt que producen los dispositivos WBG, incluso unos pocos nanohenrios de inductancia añadida generan oscilaciones y sobretensiones medibles que no formaban parte del comportamiento de conmutación nativo del dispositivo. La sonda se convierte en parte del circuito bajo prueba en lugar de un observador pasivo del mismo, razón por la cual la construcción física de la sonda de corriente, y no solo su ancho de banda, debe evaluarse para el trabajo con WBG.
¿Por qué el? Sonda de corriente CA/CC es el factor decisivo
De las dos formas de onda necesarias para el cálculo de pérdidas por conmutación, la corriente es, con diferencia, la más difícil de capturar con precisión, y la elección de la sonda de corriente suele ser lo que distingue una cifra Eon/Eoff fiable de una que, aunque plausible, resulta errónea. El voltaje se puede medir con una sonda diferencial de alto voltaje bien compensada, colocada cerca de los terminales del dispositivo con un área de bucle mínima; una medición relativamente consolidada y tolerante. La medición de corriente debe resolver simultáneamente el ancho de banda de la sonda, la impedancia de inserción, el comportamiento de saturación del núcleo y, para dispositivos que transportan una corriente de polarización de CC sustancial superpuesta al transitorio de conmutación, la capacidad de resolver un flanco de CA rápido superpuesto a un gran desplazamiento de CC sin distorsionar ninguno de los dos.
Este último requisito es donde una sonda de corriente CA/CC diseñada específicamente para este fin se gana su lugar en el banco de pruebas, y donde una sonda diseñada para un régimen u otro resulta insuficiente. Una prueba de doble pulso en un dispositivo de SiC o GaN suele implicar corrientes de inductor de decenas de amperios, con la transición de conmutación ocurriendo en nanosegundos de un solo dígito. Una sonda de transformador de corriente solo para CA no puede informar en absoluto sobre el componente de CC en estado estacionario, ya que un transformador de corriente no tiene respuesta a frecuencia cero; mostrará el flanco pero perderá la línea base desde la que está conmutando. Por otro lado, una sonda de efecto Hall solo para CC generalmente carece del ancho de banda para rastrear un flanco de 15-20 ns sin redondearlo. Ninguna de ellas, utilizada por separado, produce una forma de onda que represente lo que realmente hizo el dispositivo.
Una sonda de corriente CA/CC resuelve este problema combinando ambos elementos de detección en una única ruta de medición: un sensor de efecto Hall que proporciona una respuesta precisa desde CC hasta el rango de baja frecuencia, y una ruta basada en un transformador de corriente o en derivación que maneja el contenido rápido de alta frecuencia del flanco de conmutación. Las dos señales se recombinan internamente en una única salida continua. Si se implementa correctamente, esto produce una forma de onda plana en todo el rango de frecuencias relevante para un evento de conmutación de banda ancha: precisa al nivel de polarización de CC en el que se encuentra el inductor, y precisa a través del transitorio de escala de nanosegundos superpuesto. Esa respuesta combinada es lo que hace que la integral de potencia v(t)×i(t) resultante —y, por lo tanto, los valores Eon/Eoff derivados de ella— sean significativos, en lugar de un artefacto de qué mitad de la forma de onda capturó bien la sonda.
Debido a que esta arquitectura de doble detección cumple una doble función, no todas las sondas de corriente CA/CC del mercado son igualmente adecuadas para el trabajo con banda ancha inalámbrica (WBG). Algunas especificaciones son más importantes que el ancho de banda nominal que aparece en la hoja de datos:
- Tiempo de subida en relación con el dispositivo bajo prueba. Como regla general, el tiempo de subida de la sonda debe ser al menos de tres a cinco veces más rápido que el flanco más rápido que se esté midiendo, para que la propia respuesta de la sonda no domine la transición registrada.
- Retardo de propagación y ajuste de retardo. Los fabricantes suelen publicar un valor fijo para el retardo de propagación; este valor debe conocerse y compensarse, en lugar de asumirse que es insignificante.
- Baja impedancia de inserción. Las sondas de pinza de núcleo dividido con un tamaño de apertura pequeño y una longitud de trayectoria de corriente corta minimizan la inductancia de bucle añadida en el bucle de conmutación.
- Manejo de corriente de compensación de CC. La sonda necesita un rango dinámico adecuado para capturar la corriente de polarización de CC completa sin saturar el núcleo durante el pico del transitorio de conmutación, donde la corriente puede dispararse muy por encima de los niveles de estado estacionario.
- Una transición limpia entre la ruta de CC/baja frecuencia y la ruta de CA. Esta es la especificación exclusiva de las sondas de corriente CA/CC y la que con mayor frecuencia se pasa por alto. Si la transición entre las etapas de efecto Hall y transformador de corriente no está bien ajustada en ganancia y fase, la forma de onda recombinada muestra un pico, una caída o una anomalía de sincronización justo alrededor de la frecuencia de cruce, a menudo coincidiendo con el rango de frecuencia exacto donde se concentra la energía del flanco de conmutación.
Un flujo de trabajo de medición práctico
La mayoría de las caracterizaciones de pérdidas por conmutación para dispositivos SiC y GaN se realizan mediante la prueba de doble pulso (DPT), que aísla un único evento de encendido y apagado bajo condiciones controladas de corriente y voltaje, sin la acumulación térmica propia de la conmutación continua. Para obtener valores fiables de Eon/Eoff a partir de una configuración DPT, generalmente se sigue una secuencia consistente:
1. Corrija la inclinación de los canales de voltaje y corriente antes de tomar cualquier dato. Esto se logra haciendo pasar una señal conocida —a menudo un flanco rápido de un generador de pulsos— simultáneamente a través de la sonda de corriente y la sonda de voltaje mediante un dispositivo de corrección de inclinación, y luego aplicando un desfase temporal en el osciloscopio hasta que ambos flancos se alineen. Omitir este paso es la causa más común de errores en los valores de pérdida de conmutación en las pruebas de rejillas de Bragg de banda ancha (WBG).
2. Coloque la sonda de corriente en el bucle de conmutación con un área de bucle adicional mínima. La sonda debe colocarse lo más cerca posible del dispositivo que se está probando, idealmente en el cable de fuente o de drenaje en lugar de más lejos en el diseño de la placa de circuito impreso, para evitar capturar oscilaciones inductivas parásitas que no sean representativas del comportamiento de conmutación intrínseco del dispositivo.
3. Verifique el ancho de banda de la sonda comparándolo con las tasas de flanco observadas reales, no con las supuestas. Conviene capturar una transición de encendido y comprobar las mediciones de dV/dt y dI/dt con respecto al ancho de banda especificado de la sonda antes de confiar en las cifras de energía resultantes; la variación entre dispositivos y entre controladores de puerta puede hacer que las tasas de flanco sean más altas de lo esperado.
4. Integrar la energía en un intervalo definido de forma consistente. Eon y Eoff se definen típicamente como la integral de v(t)×i(t) desde el punto en que el voltaje o la corriente se desvían por primera vez de su valor de estado estacionario hasta el punto en que ambos se estabilizan dentro de un porcentaje definido del valor final. El uso de un intervalo de tiempo consistente y documentado es importante al comparar las cifras de pérdidas entre diferentes dispositivos, resistencias de puerta o temperaturas.
5. Repita el procedimiento en todo el rango operativo. Dado que las pérdidas por conmutación en los dispositivos WBG dependen en gran medida de la corriente, la tensión del bus, la resistencia de la puerta y la temperatura de la unión, un único dato en una condición de funcionamiento específica aporta muy poca información sobre el comportamiento del dispositivo en todo el rango de funcionamiento requerido por la aplicación. Las curvas de pérdidas en función de la corriente y la tensión, obtenidas a diferentes temperaturas, son las que alimentan un modelo de eficiencia realista.
Las decisiones sobre la instrumentación se reflejan en el diseño.
Los datos de pérdidas por conmutación obtenidos durante la caracterización en banco de pruebas son fundamentales para el diseño térmico, el dimensionamiento del disipador y los objetivos de eficiencia del sistema final. Un valor de Eoff inferior al real, proveniente de una sonda de corriente con ancho de banda insuficiente, puede derivar en un disipador de tamaño inadecuado y un problema de margen térmico que no se manifiesta hasta que el producto está en funcionamiento. Por el contrario, las distorsiones en las mediciones causadas por una inductancia de inserción excesiva de la sonda pueden hacer que un dispositivo parezca tener un rendimiento inferior al real, lo que conlleva decisiones de reducción de potencia y de optimización térmica demasiado conservadoras y costosas.
Dado que estos datos influyen directamente en las decisiones de diseño posteriores, la sonda de corriente utilizada para la caracterización de las pérdidas por conmutación merece al menos la misma atención que los propios dispositivos de potencia. En el caso específico de los dispositivos WBG, esto implica una sonda de corriente CA/CC en lugar de una alternativa solo CA o solo CC. Es el único equipo de prueba ubicado directamente en la ruta de conmutación, responsable de informar tanto la corriente de estado estacionario desde la que conmuta el dispositivo como el transitorio a escala de nanosegundos que atraviesa, sin añadir su propia distorsión a ninguno de ellos. El ancho de banda, el retardo de propagación, la impedancia de inserción, el rango dinámico de CC y la calidad de cruce no son especificaciones secundarias para esta aplicación; en conjunto, determinan si las cifras Eon/Eoff resultantes reflejan el dispositivo bajo prueba o las limitaciones de la sonda que lo mide. En un sentido muy concreto, lograr que este instrumento funcione correctamente es lo que garantiza la fiabilidad de todos los cálculos posteriores de eficiencia y térmicos.