{"id":858,"date":"2026-08-07T03:45:39","date_gmt":"2026-08-07T03:45:39","guid":{"rendered":"https:\/\/vasozk.com\/?p=858"},"modified":"2026-08-07T03:48:59","modified_gmt":"2026-08-07T03:48:59","slug":"accurately-measuring-switching-losses-in-sic-gan-power-devices","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/vasozk.com\/es\/accurately-measuring-switching-losses-in-sic-gan-power-devices\/","title":{"rendered":"Medici\u00f3n precisa de las p\u00e9rdidas por conmutaci\u00f3n en dispositivos de potencia de SiC\/GaN"},"content":{"rendered":"

Los semiconductores de banda prohibida ancha han redefinido el rendimiento de la conversi\u00f3n de energ\u00eda. 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 t\u00edpicos de los IGBT de silicio, y lo hacen a voltajes y temperaturas de uni\u00f3n m\u00e1s elevadas. Esta velocidad es precisamente lo que los hace atractivos para inversores de tracci\u00f3n de veh\u00edculos el\u00e9ctricos, cargadores integrados, fuentes de alimentaci\u00f3n para servidores e inversores de cadena solar: menor tama\u00f1o de los componentes magn\u00e9ticos, mayor eficiencia y mayor densidad de potencia. Tambi\u00e9n es lo que dificulta enormemente la medici\u00f3n precisa de sus p\u00e9rdidas de conmutaci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

Los ingenieros de potencia que han intentado caracterizar un medio puente de SiC en un banco de pruebas descubren r\u00e1pidamente que las mismas t\u00e9cnicas de medici\u00f3n 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 variaci\u00f3n de corriente exceden 1-2 A\/ns. La instrumentaci\u00f3n, y no solo el dispositivo bajo prueba, se convierte en el factor limitante; y de los dos canales que alimentan el c\u00e1lculo de p\u00e9rdidas, la corriente es donde se manifiesta primero esta limitaci\u00f3n. Una sonda de corriente CA\/CC de banda ancha, capaz de resolver un flanco r\u00e1pido a escala de nanosegundos sin perder la corriente de polarizaci\u00f3n CC subyacente, es lo que mantiene la precisi\u00f3n del resto de la cadena de medici\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

\u00bfPor qu\u00e9 la medici\u00f3n de p\u00e9rdidas por conmutaci\u00f3n se vuelve m\u00e1s dif\u00edcil con los dispositivos WBG?<\/h2>\n\n\n\n

La p\u00e9rdida por conmutaci\u00f3n se calcula integrando la potencia instant\u00e1nea \u2014el producto de la tensi\u00f3n drenador-fuente (o colector-emisor) y la corriente drenador (o colector)\u2014 durante los intervalos de transici\u00f3n de encendido y apagado. En teor\u00eda, esto es sencillo. En la pr\u00e1ctica, la precisi\u00f3n de esta integral depende totalmente de la fidelidad con la que se capturen las formas de onda de tensi\u00f3n y corriente, y tres problemas se agravan en el caso particular de los dispositivos WBG.<\/p>\n\n\n\n

Ancho de banda y tiempo de subida.<\/strong> 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 \u2014perfectamente adecuado para un IGBT de silicio que conmuta en 200-300 ns\u2014 suavizar\u00e1 el flanco ascendente de la transici\u00f3n, subestimar\u00e1 la corriente m\u00e1xima y alterar\u00e1 la sincronizaci\u00f3n aparente del evento de conmutaci\u00f3n con respecto a la forma de onda de voltaje. Cualquiera de estos errores distorsiona directamente la integral de energ\u00eda.<\/p>\n\n\n\n

Alineaci\u00f3n de fases y tiempos.<\/strong> Debido a la brevedad del intervalo de conmutaci\u00f3n, 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 transici\u00f3n de silicio de 300 ns ser\u00eda un error de redondeo, puede modificar la p\u00e9rdida calculada en una transici\u00f3n de SiC de 15 ns en un 20 % o m\u00e1s. Las diferencias en el retardo de propagaci\u00f3n entre sondas, que suelen ignorarse en las configuraciones de prueba de la era del silicio, no pueden pasarse por alto en este caso.<\/p>\n\n\n\n

Impedancia de inserci\u00f3n y efectos par\u00e1sitos del bucle.<\/strong> Cualquier sonda de corriente a\u00f1ade cierta impedancia en serie e inductancia de bucle a la ruta de medici\u00f3n. A los niveles de di\/dt que producen los dispositivos WBG, incluso unos pocos nanohenrios de inductancia a\u00f1adida generan oscilaciones y sobretensiones medibles que no formaban parte del comportamiento de conmutaci\u00f3n nativo del dispositivo. La sonda se convierte en parte del circuito bajo prueba en lugar de un observador pasivo del mismo, raz\u00f3n por la cual la construcci\u00f3n f\u00edsica de la sonda de corriente, y no solo su ancho de banda, debe evaluarse para el trabajo con WBG.<\/p>\n\n\n\n

\u00bfPor qu\u00e9 el? Sonda de corriente CA\/CC<\/a> es el factor decisivo<\/h2>\n\n\n\n

De las dos formas de onda necesarias para el c\u00e1lculo de p\u00e9rdidas por conmutaci\u00f3n, la corriente es, con diferencia, la m\u00e1s dif\u00edcil de capturar con precisi\u00f3n, y la elecci\u00f3n de la sonda de corriente suele ser lo que distingue una cifra Eon\/Eoff fiable de una que, aunque plausible, resulta err\u00f3nea. El voltaje se puede medir con una sonda diferencial de alto voltaje bien compensada, colocada cerca de los terminales del dispositivo con un \u00e1rea de bucle m\u00ednima; una medici\u00f3n relativamente consolidada y tolerante. La medici\u00f3n de corriente debe resolver simult\u00e1neamente el ancho de banda de la sonda, la impedancia de inserci\u00f3n, el comportamiento de saturaci\u00f3n del n\u00facleo y, para dispositivos que transportan una corriente de polarizaci\u00f3n de CC sustancial superpuesta al transitorio de conmutaci\u00f3n, la capacidad de resolver un flanco de CA r\u00e1pido superpuesto a un gran desplazamiento de CC sin distorsionar ninguno de los dos.<\/p>\n\n\n\n

Este \u00faltimo requisito es donde una sonda de corriente CA\/CC dise\u00f1ada espec\u00edficamente para este fin se gana su lugar en el banco de pruebas, y donde una sonda dise\u00f1ada para un r\u00e9gimen 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 transici\u00f3n de conmutaci\u00f3n ocurriendo en nanosegundos de un solo d\u00edgito. 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; mostrar\u00e1 el flanco pero perder\u00e1 la l\u00ednea base desde la que est\u00e1 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.<\/p>\n\n\n\n

Una sonda de corriente CA\/CC resuelve este problema combinando ambos elementos de detecci\u00f3n en una \u00fanica ruta de medici\u00f3n: 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 derivaci\u00f3n que maneja el contenido r\u00e1pido de alta frecuencia del flanco de conmutaci\u00f3n. Las dos se\u00f1ales se recombinan internamente en una \u00fanica salida continua. Si se implementa correctamente, esto produce una forma de onda plana en todo el rango de frecuencias relevante para un evento de conmutaci\u00f3n de banda ancha: precisa al nivel de polarizaci\u00f3n de CC en el que se encuentra el inductor, y precisa a trav\u00e9s del transitorio de escala de nanosegundos superpuesto. Esa respuesta combinada es lo que hace que la integral de potencia v(t)\u00d7i(t) resultante \u2014y, por lo tanto, los valores Eon\/Eoff derivados de ella\u2014 sean significativos, en lugar de un artefacto de qu\u00e9 mitad de la forma de onda captur\u00f3 bien la sonda.<\/p>\n\n\n\n

Debido a que esta arquitectura de doble detecci\u00f3n cumple una doble funci\u00f3n, no todas las sondas de corriente CA\/CC del mercado son igualmente adecuadas para el trabajo con banda ancha inal\u00e1mbrica (WBG). Algunas especificaciones son m\u00e1s importantes que el ancho de banda nominal que aparece en la hoja de datos:<\/p>\n\n\n\n

    \n
  • Tiempo de subida en relaci\u00f3n con el dispositivo bajo prueba.<\/strong> Como regla general, el tiempo de subida de la sonda debe ser al menos de tres a cinco veces m\u00e1s r\u00e1pido que el flanco m\u00e1s r\u00e1pido que se est\u00e9 midiendo, para que la propia respuesta de la sonda no domine la transici\u00f3n registrada.<\/li>\n\n\n\n
  • Retardo de propagaci\u00f3n y ajuste de retardo.<\/strong> Los fabricantes suelen publicar un valor fijo para el retardo de propagaci\u00f3n; este valor debe conocerse y compensarse, en lugar de asumirse que es insignificante.<\/li>\n\n\n\n
  • Baja impedancia de inserci\u00f3n.<\/strong> Las sondas de pinza de n\u00facleo dividido con un tama\u00f1o de apertura peque\u00f1o y una longitud de trayectoria de corriente corta minimizan la inductancia de bucle a\u00f1adida en el bucle de conmutaci\u00f3n.<\/li>\n\n\n\n
  • Manejo de corriente de compensaci\u00f3n de CC.<\/strong> La sonda necesita un rango din\u00e1mico adecuado para capturar la corriente de polarizaci\u00f3n de CC completa sin saturar el n\u00facleo durante el pico del transitorio de conmutaci\u00f3n, donde la corriente puede dispararse muy por encima de los niveles de estado estacionario.<\/li>\n\n\n\n
  • Una transici\u00f3n limpia entre la ruta de CC\/baja frecuencia y la ruta de CA.<\/strong> Esta es la especificaci\u00f3n exclusiva de las sondas de corriente CA\/CC y la que con mayor frecuencia se pasa por alto. Si la transici\u00f3n entre las etapas de efecto Hall y transformador de corriente no est\u00e1 bien ajustada en ganancia y fase, la forma de onda recombinada muestra un pico, una ca\u00edda o una anomal\u00eda de sincronizaci\u00f3n justo alrededor de la frecuencia de cruce, a menudo coincidiendo con el rango de frecuencia exacto donde se concentra la energ\u00eda del flanco de conmutaci\u00f3n.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
    \"\"<\/figure>\n\n\n\n

    Un flujo de trabajo de medici\u00f3n pr\u00e1ctico<\/h2>\n\n\n\n

    La mayor\u00eda de las caracterizaciones de p\u00e9rdidas por conmutaci\u00f3n para dispositivos SiC y GaN se realizan mediante la prueba de doble pulso (DPT), que a\u00edsla un \u00fanico evento de encendido y apagado bajo condiciones controladas de corriente y voltaje, sin la acumulaci\u00f3n t\u00e9rmica propia de la conmutaci\u00f3n continua. Para obtener valores fiables de Eon\/Eoff a partir de una configuraci\u00f3n DPT, generalmente se sigue una secuencia consistente:<\/p>\n\n\n\n

    1. Corrija la inclinaci\u00f3n de los canales de voltaje y corriente antes de tomar cualquier dato.<\/strong> Esto se logra haciendo pasar una se\u00f1al conocida \u2014a menudo un flanco r\u00e1pido de un generador de pulsos\u2014 simult\u00e1neamente a trav\u00e9s de la sonda de corriente y la sonda de voltaje mediante un dispositivo de correcci\u00f3n de inclinaci\u00f3n, y luego aplicando un desfase temporal en el osciloscopio hasta que ambos flancos se alineen. Omitir este paso es la causa m\u00e1s com\u00fan de errores en los valores de p\u00e9rdida de conmutaci\u00f3n en las pruebas de rejillas de Bragg de banda ancha (WBG).<\/p>\n\n\n\n

    2. Coloque la sonda de corriente en el bucle de conmutaci\u00f3n con un \u00e1rea de bucle adicional m\u00ednima.<\/strong> La sonda debe colocarse lo m\u00e1s cerca posible del dispositivo que se est\u00e1 probando, idealmente en el cable de fuente o de drenaje en lugar de m\u00e1s lejos en el dise\u00f1o de la placa de circuito impreso, para evitar capturar oscilaciones inductivas par\u00e1sitas que no sean representativas del comportamiento de conmutaci\u00f3n intr\u00ednseco del dispositivo.<\/p>\n\n\n\n

    3. Verifique el ancho de banda de la sonda compar\u00e1ndolo con las tasas de flanco observadas reales, no con las supuestas.<\/strong> Conviene capturar una transici\u00f3n 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 energ\u00eda resultantes; la variaci\u00f3n entre dispositivos y entre controladores de puerta puede hacer que las tasas de flanco sean m\u00e1s altas de lo esperado.<\/p>\n\n\n\n

    4. Integrar la energ\u00eda en un intervalo definido de forma consistente.<\/strong> Eon y Eoff se definen t\u00edpicamente como la integral de v(t)\u00d7i(t) desde el punto en que el voltaje o la corriente se desv\u00edan 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 p\u00e9rdidas entre diferentes dispositivos, resistencias de puerta o temperaturas.<\/p>\n\n\n\n

    5. Repita el procedimiento en todo el rango operativo.<\/strong> Dado que las p\u00e9rdidas por conmutaci\u00f3n en los dispositivos WBG dependen en gran medida de la corriente, la tensi\u00f3n del bus, la resistencia de la puerta y la temperatura de la uni\u00f3n, un \u00fanico dato en una condici\u00f3n de funcionamiento espec\u00edfica aporta muy poca informaci\u00f3n sobre el comportamiento del dispositivo en todo el rango de funcionamiento requerido por la aplicaci\u00f3n. Las curvas de p\u00e9rdidas en funci\u00f3n de la corriente y la tensi\u00f3n, obtenidas a diferentes temperaturas, son las que alimentan un modelo de eficiencia realista.<\/p>\n\n\n\n

    Las decisiones sobre la instrumentaci\u00f3n se reflejan en el dise\u00f1o.<\/h2>\n\n\n\n

    Los datos de p\u00e9rdidas por conmutaci\u00f3n obtenidos durante la caracterizaci\u00f3n en banco de pruebas son fundamentales para el dise\u00f1o t\u00e9rmico, 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 tama\u00f1o inadecuado y un problema de margen t\u00e9rmico que no se manifiesta hasta que el producto est\u00e1 en funcionamiento. Por el contrario, las distorsiones en las mediciones causadas por una inductancia de inserci\u00f3n excesiva de la sonda pueden hacer que un dispositivo parezca tener un rendimiento inferior al real, lo que conlleva decisiones de reducci\u00f3n de potencia y de optimizaci\u00f3n t\u00e9rmica demasiado conservadoras y costosas.<\/p>\n\n\n\n

    Dado que estos datos influyen directamente en las decisiones de dise\u00f1o posteriores, la sonda de corriente utilizada para la caracterizaci\u00f3n de las p\u00e9rdidas por conmutaci\u00f3n merece al menos la misma atenci\u00f3n que los propios dispositivos de potencia. En el caso espec\u00edfico de los dispositivos WBG, esto implica una sonda de corriente CA\/CC en lugar de una alternativa solo CA o solo CC. Es el \u00fanico equipo de prueba ubicado directamente en la ruta de conmutaci\u00f3n, 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 a\u00f1adir su propia distorsi\u00f3n a ninguno de ellos. El ancho de banda, el retardo de propagaci\u00f3n, la impedancia de inserci\u00f3n, el rango din\u00e1mico de CC y la calidad de cruce no son especificaciones secundarias para esta aplicaci\u00f3n; 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 c\u00e1lculos posteriores de eficiencia y t\u00e9rmicos.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

    Wide-bandgap semiconductors have reset the performance envelope for power conversion. Silicon carbide (SiC) MOSFETs and gallium nitride (GaN) HEMTs switch in tens of nanoseconds rather than the hundreds of nanoseconds typical of silicon IGBTs, and they do so at higher voltages and junction temperatures. That speed is precisely what makes them attractive for EV traction […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":859,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_joinchat":[],"footnotes":""},"categories":[1],"tags":[],"class_list":["post-858","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-uncategorized"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/vasozk.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/858","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/vasozk.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/vasozk.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/vasozk.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/vasozk.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=858"}],"version-history":[{"count":3,"href":"https:\/\/vasozk.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/858\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":862,"href":"https:\/\/vasozk.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/858\/revisions\/862"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/vasozk.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media\/859"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/vasozk.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=858"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/vasozk.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=858"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/vasozk.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=858"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}