{"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\/pt\/accurately-measuring-switching-losses-in-sic-gan-power-devices\/","title":{"rendered":"Medi\u00e7\u00e3o precisa das perdas de comuta\u00e7\u00e3o em dispositivos de pot\u00eancia SiC\/GaN"},"content":{"rendered":"

Os semicondutores de banda larga (wide bandgap) redefiniram os limites de desempenho para convers\u00e3o de energia. Os MOSFETs de carbeto de sil\u00edcio (SiC) e os HEMTs de nitreto de g\u00e1lio (GaN) chaveiam em dezenas de nanossegundos, em vez das centenas de nanossegundos t\u00edpicas dos IGBTs de sil\u00edcio, e fazem isso em tens\u00f5es e temperaturas de jun\u00e7\u00e3o mais altas. Essa velocidade \u00e9 justamente o que os torna atraentes para inversores de tra\u00e7\u00e3o de ve\u00edculos el\u00e9tricos, carregadores de bordo, fontes de alimenta\u00e7\u00e3o de servidores e inversores de strings solares \u2014 componentes magn\u00e9ticos menores, maior efici\u00eancia e maior densidade de pot\u00eancia. \u00c9 tamb\u00e9m o que torna suas perdas de chaveamento realmente dif\u00edceis de medir com precis\u00e3o.<\/p>\n\n\n\n

Engenheiros de pot\u00eancia que tentaram caracterizar uma meia-ponte de SiC em bancada logo descobrem que as mesmas t\u00e9cnicas de medi\u00e7\u00e3o que funcionavam bem para um IGBT de sil\u00edcio de 600 V come\u00e7am a produzir resultados inconsistentes quando as taxas de varia\u00e7\u00e3o da transi\u00e7\u00e3o ultrapassam 50 V\/ns e as taxas de varia\u00e7\u00e3o da corrente excedem 1-2 A\/ns. A instrumenta\u00e7\u00e3o, e n\u00e3o apenas o dispositivo em teste, torna-se o fator limitante \u2014 e, dos dois canais que alimentam o c\u00e1lculo de perdas, \u00e9 na corrente que essa limita\u00e7\u00e3o se manifesta primeiro. Uma sonda de corrente CA\/CC de banda larga, capaz de resolver uma transi\u00e7\u00e3o r\u00e1pida na escala de nanossegundos sem perder a corrente de polariza\u00e7\u00e3o CC subjacente, \u00e9 o que mant\u00e9m a precis\u00e3o do restante da cadeia de medi\u00e7\u00e3o.<\/p>\n\n\n\n

Por que a troca de medi\u00e7\u00e3o de perdas fica mais dif\u00edcil com dispositivos WBG<\/h2>\n\n\n\n

A perda de comuta\u00e7\u00e3o \u00e9 calculada integrando a pot\u00eancia instant\u00e2nea \u2014 o produto da tens\u00e3o dreno-fonte (ou coletor-emissor) e da corrente de dreno (ou coletor) \u2014 nos intervalos de transi\u00e7\u00e3o de ativa\u00e7\u00e3o e desativa\u00e7\u00e3o. Teoricamente, isso \u00e9 simples. Na pr\u00e1tica, a precis\u00e3o dessa integral depende inteiramente da fidelidade com que as formas de onda de tens\u00e3o e corrente s\u00e3o capturadas, e tr\u00eas problemas se agravam particularmente com dispositivos WBG.<\/p>\n\n\n\n

Largura de banda e tempo de subida.<\/strong> Um MOSFET de SiC que liga em 15-20 ns possui conte\u00fado espectral que se estende por centenas de megahertz. Uma sonda de corrente com largura de banda de 50 MHz ou 100 MHz \u2014 perfeitamente adequada para um IGBT de sil\u00edcio que chaveia em 200-300 ns \u2014 ir\u00e1 arredondar a borda de subida da transi\u00e7\u00e3o, subestimar a corrente de pico e deslocar o tempo aparente do evento de chaveamento em rela\u00e7\u00e3o \u00e0 forma de onda da tens\u00e3o. Qualquer um desses erros distorce diretamente a integral de energia.<\/p>\n\n\n\n

Alinhamento de fase e temporiza\u00e7\u00e3o.<\/strong> Como o intervalo de comuta\u00e7\u00e3o \u00e9 muito curto, mesmo alguns nanossegundos de diferen\u00e7a entre os canais de tens\u00e3o e corrente produzem um erro desproporcional no c\u00e1lculo de Eon e Eoff. Uma discrep\u00e2ncia de temporiza\u00e7\u00e3o de 5 ns, que seria um erro de arredondamento em uma transi\u00e7\u00e3o de sil\u00edcio de 300 ns, pode alterar a perda calculada de uma transi\u00e7\u00e3o de SiC de 15 ns em 20% ou mais. As diferen\u00e7as de atraso de propaga\u00e7\u00e3o entre as pontas de prova, que geralmente s\u00e3o ignoradas em configura\u00e7\u00f5es de teste da era do sil\u00edcio, n\u00e3o podem ser ignoradas aqui.<\/p>\n\n\n\n

Imped\u00e2ncia de inser\u00e7\u00e3o e efeitos parasitas do circuito.<\/strong> Qualquer sonda de corrente adiciona alguma imped\u00e2ncia em s\u00e9rie e indut\u00e2ncia de loop ao caminho de medi\u00e7\u00e3o. Nos n\u00edveis de di\/dt produzidos por dispositivos WBG, mesmo alguns nanohenries de indut\u00e2ncia adicionada geram oscila\u00e7\u00f5es mensur\u00e1veis \u200b\u200be sobretens\u00e3o que n\u00e3o faziam parte do comportamento de chaveamento nativo do dispositivo. A sonda torna-se parte do circuito em teste, em vez de um observador passivo dele \u2014 e \u00e9 exatamente por isso que a constru\u00e7\u00e3o f\u00edsica da sonda de corrente, e n\u00e3o apenas sua especifica\u00e7\u00e3o de largura de banda, precisa ser avaliada para aplica\u00e7\u00f5es com WBG.<\/p>\n\n\n\n

Por que o Sonda de corrente CA\/CC<\/a> \u00e9 o fator decisivo<\/h2>\n\n\n\n

Das duas formas de onda necess\u00e1rias para o c\u00e1lculo de perdas de comuta\u00e7\u00e3o, a corrente \u00e9 de longe a mais dif\u00edcil de capturar com precis\u00e3o, e a escolha da sonda de corrente geralmente \u00e9 o que diferencia um valor confi\u00e1vel de Eon\/Eoff de um valor aparentemente plaus\u00edvel, mas incorreto. A tens\u00e3o pode ser medida com uma sonda diferencial de alta tens\u00e3o bem compensada, posicionada pr\u00f3xima aos terminais do dispositivo com \u00e1rea de espira m\u00ednima \u2014 uma medi\u00e7\u00e3o comparativamente madura e tolerante. A medi\u00e7\u00e3o de corrente precisa resolver simultaneamente a largura de banda da sonda, a imped\u00e2ncia de inser\u00e7\u00e3o, o comportamento de satura\u00e7\u00e3o do n\u00facleo e, para dispositivos que apresentam uma corrente de polariza\u00e7\u00e3o CC substancial sobreposta ao transiente de comuta\u00e7\u00e3o, a capacidade de resolver uma transi\u00e7\u00e3o CA r\u00e1pida sobreposta a um grande offset CC sem distorcer nenhum dos dois.<\/p>\n\n\n\n

\u00c9 neste \u00faltimo requisito que uma sonda de corrente CA\/CC projetada especificamente para essa finalidade se destaca, e onde uma sonda projetada para um regime ou outro fica aqu\u00e9m. Um teste de pulso duplo em um dispositivo de SiC ou GaN geralmente envolve correntes no indutor na ordem de dezenas de amperes, com a pr\u00f3pria transi\u00e7\u00e3o de chaveamento ocorrendo em nanossegundos de um d\u00edgito. Uma sonda de transformador de corrente somente CA n\u00e3o consegue reportar a componente CC em regime permanente, j\u00e1 que um TC n\u00e3o responde em frequ\u00eancia zero \u2014 ele mostrar\u00e1 a borda, mas perder\u00e1 a linha de base da qual est\u00e1 chaveando. Uma sonda de efeito Hall somente CC, por outro lado, normalmente n\u00e3o possui largura de banda suficiente para rastrear uma borda de 15 a 20 ns sem arredond\u00e1-la. Nenhuma delas, usada isoladamente, produz uma forma de onda que represente o comportamento real do dispositivo.<\/p>\n\n\n\n

Uma sonda de corrente CA\/CC resolve isso combinando ambos os elementos de detec\u00e7\u00e3o em um \u00fanico caminho de medi\u00e7\u00e3o \u2014 um sensor de efeito Hall que fornece uma resposta precisa desde CC at\u00e9 a faixa de baixa frequ\u00eancia, e um caminho baseado em transformador de corrente ou shunt que lida com o conte\u00fado r\u00e1pido e de alta frequ\u00eancia da borda de comuta\u00e7\u00e3o \u2014 com os dois sinais recombinados internamente em uma \u00fanica sa\u00edda cont\u00ednua. Quando bem feito, isso produz uma forma de onda plana em toda a faixa de frequ\u00eancia relevante para um evento de comuta\u00e7\u00e3o WBG: precisa no n\u00edvel de polariza\u00e7\u00e3o CC em que o indutor est\u00e1 operando e precisa durante o transiente em escala de nanossegundos sobreposto a ele. Essa resposta combinada \u00e9 o que torna a integral de pot\u00eancia v(t)\u00d7i(t) resultante \u2014 e, portanto, os valores de Eon\/Eoff derivados dela \u2014 significativos, em vez de um artefato de qual metade da forma de onda a sonda capturou bem.<\/p>\n\n\n\n

Como essa arquitetura de dupla detec\u00e7\u00e3o desempenha dupla fun\u00e7\u00e3o, nem todas as sondas de corrente CA\/CC dispon\u00edveis no mercado s\u00e3o igualmente adequadas para trabalhos com WBG. Algumas especifica\u00e7\u00f5es s\u00e3o mais importantes do que o valor da largura de banda indicado na folha de dados:<\/p>\n\n\n\n

    \n
  • Tempo de subida em rela\u00e7\u00e3o ao dispositivo em teste.<\/strong> Como regra geral, o tempo de subida da sonda deve ser pelo menos tr\u00eas a cinco vezes mais r\u00e1pido que a borda mais r\u00e1pida que est\u00e1 sendo medida, para que a pr\u00f3pria resposta da sonda n\u00e3o domine a transi\u00e7\u00e3o registrada.<\/li>\n\n\n\n
  • Atraso de propaga\u00e7\u00e3o e adapta\u00e7\u00e3o de atraso.<\/strong> Os fabricantes normalmente publicam um valor fixo para o atraso de propaga\u00e7\u00e3o; esse valor precisa ser conhecido e compensado, e n\u00e3o considerado desprez\u00edvel.<\/li>\n\n\n\n
  • Baixa imped\u00e2ncia de inser\u00e7\u00e3o.<\/strong> As sondas de fixa\u00e7\u00e3o de n\u00facleo dividido, com pequena abertura e curto comprimento do percurso da corrente, minimizam a indut\u00e2ncia adicional no circuito de comuta\u00e7\u00e3o.<\/li>\n\n\n\n
  • Gerenciamento de corrente de offset CC.<\/strong> A sonda precisa de uma faixa din\u00e2mica adequada para capturar toda a corrente de polariza\u00e7\u00e3o CC sem saturar o n\u00facleo durante o pico do transiente de comuta\u00e7\u00e3o, onde a corrente pode aumentar muito acima dos n\u00edveis de estado estacion\u00e1rio.<\/li>\n\n\n\n
  • Uma transi\u00e7\u00e3o suave entre o caminho CC\/baixa frequ\u00eancia e o caminho CA.<\/strong> Esta \u00e9 a especifica\u00e7\u00e3o exclusiva das sondas de corrente CA\/CC e a mais frequentemente negligenciada. Se a transi\u00e7\u00e3o entre os est\u00e1gios de efeito Hall e transformador de corrente n\u00e3o estiver bem ajustada em ganho e fase, a forma de onda recombinada apresenta uma eleva\u00e7\u00e3o, queda ou falha de temporiza\u00e7\u00e3o exatamente na frequ\u00eancia de cruzamento \u2014 muitas vezes coincidindo com a faixa de frequ\u00eancia onde a energia da borda de comuta\u00e7\u00e3o est\u00e1 concentrada.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n
    \"\"<\/figure>\n\n\n\n

    Um fluxo de trabalho de medi\u00e7\u00e3o pr\u00e1tico<\/h2>\n\n\n\n

    A maior parte da caracteriza\u00e7\u00e3o de perdas por comuta\u00e7\u00e3o em dispositivos de SiC e GaN \u00e9 feita usando o teste de pulso duplo (DPT), que isola um \u00fanico evento de ativa\u00e7\u00e3o e desativa\u00e7\u00e3o sob condi\u00e7\u00f5es controladas de corrente e tens\u00e3o, sem o ac\u00famulo t\u00e9rmico da comuta\u00e7\u00e3o cont\u00ednua. A obten\u00e7\u00e3o de valores confi\u00e1veis \u200b\u200bde Eon\/Eoff em uma configura\u00e7\u00e3o DPT geralmente segue uma sequ\u00eancia consistente:<\/p>\n\n\n\n

    1. Corrija a assimetria dos canais de tens\u00e3o e corrente antes de coletar quaisquer dados.<\/strong> Isso \u00e9 feito aplicando um sinal conhecido \u2014 geralmente uma transi\u00e7\u00e3o r\u00e1pida de um gerador de pulsos \u2014 simultaneamente atrav\u00e9s da sonda de corrente e da sonda de tens\u00e3o usando um dispositivo de corre\u00e7\u00e3o de inclina\u00e7\u00e3o, e ent\u00e3o aplicando um deslocamento de tempo no oscilosc\u00f3pio at\u00e9 que as duas transi\u00e7\u00f5es se alinhem. Ignorar essa etapa \u00e9 a causa mais comum de valores err\u00f4neos de perda de comuta\u00e7\u00e3o em testes de WBG.<\/p>\n\n\n\n

    2. Posicione a sonda de corrente no circuito de comuta\u00e7\u00e3o com a menor \u00e1rea adicional poss\u00edvel.<\/strong> A ponta de prova deve ser posicionada o mais pr\u00f3ximo poss\u00edvel do dispositivo em teste, idealmente no terminal de fonte ou dreno, em vez de mais distante na placa de circuito impresso, para evitar a captura de oscila\u00e7\u00f5es indutivas esp\u00farias que n\u00e3o representam o comportamento de comuta\u00e7\u00e3o intr\u00ednseco do dispositivo.<\/p>\n\n\n\n

    3. Verifique a largura de banda da sonda em rela\u00e7\u00e3o \u00e0s taxas de borda observadas reais, e n\u00e3o \u00e0s taxas presumidas.<\/strong> Vale a pena capturar uma transi\u00e7\u00e3o de ativa\u00e7\u00e3o e verificar os valores medidos de dV\/dt e dI\/dt em rela\u00e7\u00e3o \u00e0 largura de banda especificada da sonda antes de confiar nos valores de energia resultantes \u2014 a varia\u00e7\u00e3o entre dispositivos e entre drivers de porta pode elevar as taxas de varia\u00e7\u00e3o acima do esperado.<\/p>\n\n\n\n

    4. Integrar a pot\u00eancia em uma janela definida de forma consistente.<\/strong> Eon e Eoff s\u00e3o normalmente definidos como a integral de v(t)\u00d7i(t) desde o ponto em que a tens\u00e3o ou a corrente se desvia pela primeira vez do seu valor de estado estacion\u00e1rio at\u00e9 o ponto em que ambas se estabilizam dentro de uma porcentagem definida do valor final. O uso de uma janela consistente e documentada \u00e9 importante ao comparar os valores de perda entre diferentes dispositivos, resist\u00eancias de porta ou temperaturas.<\/p>\n\n\n\n

    5. Repita em toda a faixa de opera\u00e7\u00e3o.<\/strong> Como a perda de comuta\u00e7\u00e3o em dispositivos WBG \u00e9 fortemente dependente da corrente, da tens\u00e3o do barramento, da resist\u00eancia da porta e da temperatura da jun\u00e7\u00e3o, um \u00fanico ponto de dados em uma condi\u00e7\u00e3o de opera\u00e7\u00e3o espec\u00edfica diz muito pouco sobre como um dispositivo se comportar\u00e1 em toda a faixa de valores exigida por uma aplica\u00e7\u00e3o. Curvas de perda em fun\u00e7\u00e3o da corrente e da tens\u00e3o, obtidas em m\u00faltiplas temperaturas, s\u00e3o o que alimenta um modelo de efici\u00eancia realista.<\/p>\n\n\n\n

    As escolhas de instrumenta\u00e7\u00e3o influenciam o projeto.<\/h2>\n\n\n\n

    Os dados de perdas de comuta\u00e7\u00e3o obtidos em testes de bancada s\u00e3o fundamentais para o projeto t\u00e9rmico, o dimensionamento do dissipador de calor e as metas de efici\u00eancia do sistema final. Um valor de Eoff subestimado, resultante de uma sonda de corrente com largura de banda insuficiente, pode levar a um dissipador de calor subdimensionado e a um problema de margem t\u00e9rmica que s\u00f3 se manifesta quando o produto j\u00e1 est\u00e1 em uso. Por outro lado, artefatos de medi\u00e7\u00e3o causados \u200b\u200bpor indut\u00e2ncia excessiva de inser\u00e7\u00e3o da sonda podem fazer com que um dispositivo pare\u00e7a ter um desempenho pior do que o real, levando a decis\u00f5es t\u00e9rmicas e de redu\u00e7\u00e3o de pot\u00eancia excessivamente conservadoras \u2014 e mais caras.<\/p>\n\n\n\n

    Considerando a influ\u00eancia direta desses n\u00fameros nas decis\u00f5es de projeto subsequentes, a sonda de corrente usada para caracteriza\u00e7\u00e3o de perdas de comuta\u00e7\u00e3o merece pelo menos tanta aten\u00e7\u00e3o quanto os pr\u00f3prios dispositivos de pot\u00eancia \u2014 e, especificamente para trabalhos com WBG (Wide Band Grating), isso significa uma sonda de corrente AC\/DC em vez de uma alternativa somente AC ou somente DC. \u00c9 o \u00fanico equipamento de teste posicionado diretamente no caminho de comuta\u00e7\u00e3o, respons\u00e1vel por registrar tanto a corrente de regime permanente da qual o dispositivo est\u00e1 comutando quanto o transiente em escala de nanossegundos pelo qual ele est\u00e1 comutando, sem adicionar sua pr\u00f3pria distor\u00e7\u00e3o a nenhum deles. Largura de banda, atraso de propaga\u00e7\u00e3o, imped\u00e2ncia de inser\u00e7\u00e3o, faixa din\u00e2mica DC e qualidade de crossover n\u00e3o s\u00e3o especifica\u00e7\u00f5es secund\u00e1rias para esta aplica\u00e7\u00e3o \u2014 coletivamente, elas determinam se os valores de Eon\/Eoff resultantes refletem o dispositivo em teste ou as limita\u00e7\u00f5es da sonda que o mede. A escolha correta desse instrumento \u00e9, em um sentido muito concreto, o que torna todos os c\u00e1lculos subsequentes de efici\u00eancia e t\u00e9rmicos confi\u00e1veis.<\/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\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/858","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/vasozk.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/vasozk.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/vasozk.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/vasozk.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=858"}],"version-history":[{"count":3,"href":"https:\/\/vasozk.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/858\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":862,"href":"https:\/\/vasozk.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/858\/revisions\/862"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/vasozk.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/media\/859"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/vasozk.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=858"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/vasozk.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=858"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/vasozk.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=858"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}