Широкозонные полупроводники изменили представление о производительности преобразования энергии. MOSFET-транзисторы на основе карбида кремния (SiC) и HEMT-транзисторы на основе нитрида галлия (GaN) переключаются за десятки наносекунд, а не за сотни наносекунд, как это обычно происходит с кремниевыми IGBT-транзисторами, и делают это при более высоких напряжениях и температурах перехода. Именно эта скорость делает их привлекательными для инверторов тяговых электромобилей, бортовых зарядных устройств, источников питания серверов и солнечных инверторов — меньшие магнитные элементы, более высокая эффективность, более высокая удельная мощность. Однако именно это делает измерение потерь при переключении действительно сложным и трудноосуществимым.
Инженеры-энергетики, пытавшиеся охарактеризовать полумост из карбида кремния на стенде, быстро обнаруживают, что те же методы измерения, которые хорошо работали для кремниевого IGBT на 600 В, начинают давать несоответствующие результаты, как только скорость нарастания импульса превышает 50 В/нс, а скорость нарастания тока превышает 1-2 А/нс. Ограничивающим фактором становится не только тестируемое устройство, но и измерительная аппаратура — и из двух каналов, используемых для расчета потерь, именно ток является первым, где проявляется это ограничение. Широкополосный датчик переменного/постоянного тока, способный регистрировать быстрый импульс наносекундного масштаба без потери базового постоянного тока смещения, на котором он основан, обеспечивает точность всей измерительной цепочки.
Почему измерение потерь при переключении становится сложнее в устройствах на основе широкозонных полупроводников
Потери при переключении рассчитываются путем интегрирования мгновенной мощности — произведения напряжения сток-исток (или коллектор-эмиттер) и тока стока (или коллектора) — по интервалам включения и выключения. Теоретически это выглядит просто. На практике же точность этого интеграла полностью зависит от того, насколько точно регистрируются формы сигналов напряжения и тока, и три проблемы особенно остро проявляются в устройствах на основе широкозонных полупроводников.
Полоса пропускания и время нарастания. SiC MOSFET, включающийся за 15-20 нс, имеет спектральный состав, исчисляющийся сотнями мегагерц. Токовый пробник с полосой пропускания 50 МГц или 100 МГц — вполне достаточный для кремниевого IGBT, переключающегося за 200-300 нс — сгладит передний фронт перехода, занизит пиковый ток и сдвинет кажущееся время события переключения относительно формы напряжения. Любая из этих ошибок напрямую искажает энергетический интеграл.
Выравнивание фазы и синхронизации. Поскольку интервал переключения очень короткий, даже несколько наносекунд расхождения между каналами напряжения и тока приводят к непропорциональной ошибке в расчетах Eon и Eoff. Расхождение во времени в 5 нс, которое было бы ошибкой округления для кремниевого перехода длительностью 300 нс, может сместить расчетные потери для перехода SiC длительностью 15 нс на 20% или более. Различия в задержке распространения сигнала от зонда к зонду, которые часто игнорируются в тестовых установках кремниевой эпохи, здесь игнорировать нельзя.
Вносимое сопротивление и паразитные параметры петли. Любой токовый зонд добавляет в измерительный тракт некоторое последовательное сопротивление и индуктивность контура. При уровнях di/dt, характерных для устройств на основе широкозонных полупроводников, даже несколько наногенри дополнительной индуктивности вызывают измеримые колебания и выбросы напряжения, которые не были частью естественного поведения переключения устройства. Зонд становится частью тестируемой схемы, а не пассивным наблюдателем за ней — именно поэтому для работы с широкозонными полупроводниками необходимо оценивать не только его полосу пропускания, но и физическую конструкцию токового зонда.
Почему Измеритель тока переменного/постоянного тока является решающим фактором
Из двух форм сигналов, необходимых для расчета потерь при переключении, ток, безусловно, сложнее точно определить, и выбор токового пробника обычно является тем фактором, который отличает достоверный показатель Eon/Eoff от правдоподобно выглядящего, но неверного. Напряжение можно измерить с помощью хорошо компенсированного высоковольтного дифференциального пробника, расположенного близко к выводам устройства с минимальной площадью петли — сравнительно зрелый и щадящий метод измерения. Измерение тока должно одновременно учитывать полосу пропускания пробника, вносимое сопротивление, поведение насыщения сердечника и, для устройств, которые пропускают значительный постоянный ток смещения, наложенный на переходный процесс переключения, способность распознать быстрый фронт переменного тока, наложенный на большое смещение постоянного тока, без искажения ни того, ни другого.
Именно в этом последнем требовании специализированный датчик переменного/постоянного тока заслуживает своего места на рабочем столе, в то время как датчик, предназначенный для одного или другого режима, оказывается неэффективным. Двухимпульсный тест устройства на основе SiC или GaN обычно включает токи индуктора в десятки ампер, при этом сам переход переключения происходит за несколько наносекунд. Датчик на основе трансформатора тока, работающий только с переменным током, вообще не может регистрировать установившуюся составляющую постоянного тока, поскольку трансформатор тока не реагирует на нулевой частоте — он покажет фронт, но потеряет базовую линию, от которой происходит переключение. С другой стороны, датчик Холла, работающий только с постоянным током, обычно не обладает достаточной полосой пропускания, чтобы отслеживать фронт длительностью 15-20 нс без округления. Ни один из них, используемый по отдельности, не дает формы сигнала, которая бы отражала фактическое поведение устройства.
Датчик переменного/постоянного тока решает эту проблему, объединяя оба чувствительных элемента в одном измерительном тракте: датчик Холла, обеспечивающий точный отклик от постоянного тока до низкочастотного диапазона, и тракт на основе трансформатора тока или шунта, обрабатывающий быструю высокочастотную составляющую фронта переключения, — при этом два сигнала внутренне рекомбинируются в один непрерывный выходной сигнал. При правильном подходе это позволяет получить форму сигнала, плоскую во всем частотном диапазоне, соответствующем событию переключения широкополосной полупроводниковой антенны: точную на уровне смещения постоянного тока, на котором находится индуктор, и точную на протяжении наносекундного переходного процесса, наложенного на него. Именно этот комбинированный отклик делает результирующий интеграл мощности v(t)×i(t) — и, следовательно, полученные из него значения Eon/Eoff — осмысленным, а не артефактом того, какая половина формы сигнала была хорошо зафиксирована датчиком.
Поскольку эта двухканальная архитектура выполняет двойную функцию, не каждый представленный на рынке датчик переменного/постоянного тока одинаково подходит для работы с широкополосными датчиками. Некоторые характеристики важнее, чем указанное в техническом описании значение полосы пропускания:
- Время нарастания относительно тестируемого устройства. Как правило, время нарастания сигнала от датчика должно быть как минимум в три-пять раз меньше самого быстрого измеряемого фронта, чтобы собственный отклик датчика не доминировал в регистрируемом переходе.
- Задержка распространения и согласование задержек. Производители обычно указывают фиксированное значение задержки распространения сигнала; это значение необходимо знать и учитывать, а не считать незначительным.
- Низкое сопротивление при вставке. Разъемные щупы с малым диаметром апертуры и короткой длиной токового пути минимизируют дополнительную индуктивность контура в коммутационном контуре переключения.
- Обработка тока смещения постоянного тока. Для захвата полного тока постоянного смещения без насыщения сердечника во время пика переходного процесса переключения, когда ток может резко возрастать и значительно превышать установившийся уровень, зонд должен обладать достаточным динамическим диапазоном.
- Четкое пересечение пути постоянного тока/низкочастотного диапазона и пути переменного тока. Это уникальная особенность пробников переменного/постоянного тока, которую чаще всего упускают из виду. Если согласование между каскадами датчика Холла и трансформатора тока по усилению и фазе недостаточное, то в рекомбинированном сигнале наблюдается пик, провал или сбой синхронизации непосредственно вблизи частоты среза — часто попадая точно в тот частотный диапазон, где концентрируется энергия фронта переключения.
Практический алгоритм проведения измерений
Большинство измерений потерь при переключении для устройств на основе SiC и GaN проводится с использованием двухимпульсного теста (DPT), который изолирует отдельные события включения и выключения в контролируемых условиях тока и напряжения без накопления тепла, характерного для непрерывного переключения. Получение достоверных значений Eon/Eoff с помощью установки DPT обычно происходит в соответствии с определенной последовательностью действий:
1. Перед началом сбора данных выровняйте каналы напряжения и тока. Это делается путем одновременного пропускания известного сигнала — часто быстрого фронта от генератора импульсов — через токовый и вольтметровый пробники с помощью приспособления для выравнивания сигнала, а затем применения временной коррекции на осциллографе до тех пор, пока два фронта не совпадут. Пропуск этого шага является наиболее распространенной причиной ошибочных значений потерь при переключении в тестировании широкополосных полупроводников.
2. Расположите датчик тока в коммутационном контуре таким образом, чтобы площадь контура была минимальной. Зонд следует располагать как можно ближе к тестируемому устройству, в идеале — на выводе истока или стока, а не дальше от него на печатной плате, чтобы избежать регистрации блуждающих индуктивных колебаний, которые не отражают внутреннее поведение устройства при переключении.
3. Проверьте ширину полосы пропускания зонда, сравнив ее с фактически наблюдаемыми скоростями фронта сигнала, а не с предполагаемыми. Перед тем как доверять полученным значениям энергии, стоит зафиксировать переход включения и сравнить измеренные значения dV/dt и dI/dt с заявленной полосой пропускания зонда — различия между устройствами и между драйверами затвора могут привести к завышению скорости нарастания фронта сигнала по сравнению с ожидаемой.
4. Интегрируйте мощность в рамках постоянно заданного временного окна. Значения Eon и Eoff обычно определяются как интеграл от v(t)×i(t) от точки, где напряжение или ток впервые отклоняются от своего установившегося значения, до точки, где оба параметра стабилизируются в пределах определенного процента от конечного значения. Использование согласованного, документированного временного окна имеет значение при сравнении показателей потерь для различных устройств, сопротивлений затвора или температур.
5. Повторите процедуру по всему рабочему диапазону. Поскольку потери при переключении в широкозонных полупроводниковых устройствах сильно зависят от тока, напряжения шины, сопротивления затвора и температуры перехода, одна точка данных при одном режиме работы мало что говорит о том, как устройство будет вести себя во всем диапазоне, требуемом приложением. Кривые потерь как функция тока и напряжения, полученные при различных температурах, являются основой для создания реалистичной модели эффективности.
Выбор измерительных приборов влияет на проектирование.
Данные о потерях при переключении, полученные в ходе лабораторных испытаний, в конечном итоге влияют на проектирование тепловых характеристик, выбор размеров радиатора и целевые показатели эффективности конечной системы. Заниженное значение Eoff, полученное с помощью токового датчика с недостаточной пропускной способностью, может привести к выбору радиатора недостаточного размера и проблемам с запасом теплоотдачи, которые проявляются только после эксплуатации изделия. И наоборот, артефакты измерений, вызванные чрезмерной индуктивностью при введении датчика, могут создавать впечатление, что устройство работает хуже, чем на самом деле, что приводит к чрезмерно консервативным — и более дорогостоящим — решениям по тепловым характеристикам и снижению производительности.
Учитывая, насколько непосредственно эти показатели влияют на последующие проектные решения, используемый для определения потерь при переключении измерительный зонд заслуживает как минимум такого же тщательного изучения, как и сами силовые устройства — и для работы с широкозонными полупроводниками это означает использование зонда переменного/постоянного тока, а не только переменного или только постоянного тока. Это единственное измерительное оборудование, расположенное непосредственно в цепи коммутации, отвечающее за измерение как установившегося тока, от которого переключается устройство, так и переходного процесса наносекундного масштаба, через который оно переключается, без добавления собственных искажений. Полоса пропускания, задержка распространения, вносимое сопротивление, динамический диапазон постоянного тока и качество кроссовера не являются второстепенными характеристиками для этого применения — в совокупности они определяют, отражают ли полученные значения Eon/Eoff характеристики тестируемого устройства или ограничения измеряемого зонда. Правильная настройка этого единственного прибора, в самом конкретном смысле, делает каждый последующий расчет эффективности и тепловых характеристик надежным.