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Schaltenergien bestimmen

Kalorimetrie bei SiC-MOSFETs nutzen

21. März 2022, 15:00 Uhr | Von Michael Zimmermann, Bernhard Holzinger, Ryo Takeda und Takamasa Arai

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Schaltenergie per Kalorimeter bestimmen

Um die mit dem PD1500A, einem Dynamic Power Device Analyzer bzw. Double Pulse Tester von Keysight, ermittelten Schaltenergien E_S zu überprüfen, wird ein kalorimetrischer Test durchgeführt. Da es ein Messgerät gibt, das jeden der relevanten Verluste separat misst, lassen sich die Leitverluste PC abziehen und nur die Schaltverluste P_S überwachen.

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P_C bestimmt sich durch den Einschalt-widerstand R_DS(on), den Drain-Strom I_Dund das Tastverhältnis D (P_C= I_D² ∙ R_DS(on) ∙ D). Dabei sind I_D und D Eingabeparameter für den Testaufbau. Der R_DS(on) kann für MOSFETs mit dem Leitungsbauelement-Analysator B1506A von Keysight recht genau gemessen werden. P_S ist das Produkt aus E_S – bestehend aus der Einschaltenergie E_on und der Ausschalt-Energie E_off – und der Schaltfrequenz f. Die Ansteuerverluste P_G sind vergleichsweise klein und werden daher vernachlässigt.

Für die Messungen wird das PD1500A so modifiziert, dass es mit dem Kalorimeter verwendet werden kann. Mit diesen Änderungen können nur Niederspannungs- tests durchgeführt werden, da das verfügbare Netzteil mit ausreichender Stromstärke nur 60 V liefern kann. Die Last für die Kalorimeter-Messung ist ein Widerstand und nicht die normalerweise im PD1500A verwendete Spule. Dies erleichtert es zum einen, P_C zu berechnen, da I_D während der Impulse konstant ist. Andererseits muss die Referenzmessung von P_S wegen der unterschiedlichen Schaltorte von Lastwiderständen und Lastinduktivitäten ebenfalls mit einem Widerstand durchgeführt werden (Bild 4).

Das Schema für die Referenzextraktion von E_S und die kalorimetrische Messung ist in Bild 5 zu sehen. Beim kalorimetrischen Test wird ein 3,3-Ω-Widerstand bei 60 V und einer Schaltfrequenz von 75 kHz und einem Tastverhältnis von zehn Prozent geschaltet. Mithilfe einer Look-up-Tabelle (Tabelle 2) lässt sich die Verlustleistung P durch Vergleich des Temperaturanstiegs für verschiedene Zeitabschnitte mit den Referenzmessungen der Body-Diode schätzen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die tatsächliche Verlustleistung etwas weniger als 3,5 W beträgt. Wie bereits erwähnt, besteht diese hauptsächlich aus den Leit- und den Schaltverlusten. Die Messung des B1506A zeigt, dass die erwartete P_C des ausgewählten Transistors 1,9 W beträgt und 1,6 W für P_S übrig bleibt. Da die Schaltfrequenz niedrig ist, wird das Tastverhältnis D klein gehalten, um sicherzustellen, dass P_C nicht zu dominant ist. Die extrahierten Schaltverluste P_S betragen je nach Abschaltzeitpunkt 0,6 W, 1,3 W oder 1,9 W. Dies zeigt, dass die tatsächlichen Schaltverluste von 1,6 W zwischen dem Wert für den letzten 10-%-Übergang nach MOSFET-Definition der IEC 60747-8 und dem 2-%-Übergang nach IGBT-Definition der IEC 60747-9 liegt.

Fazit

Steigende Schaltfrequenzen erhöhen den Anteil der Schaltverluste an den Gesamtverlusten in einem SiC-MOSFET. Da der Marktanteil von Wide-Bandgap-Halbleitern wächst, ist die korrekte Charakterisierung von P_S wichtiger denn je. Die Informationen können verwendet werden, um den Gesamtwirkungsgrad zu quantifizieren, aber auch um das Kühlsystem des Bauteils korrekt auszulegen.

Es konnte gezeigt werden, dass sich die Extraktionsalgorithmen des PD1500A eignen, um E_S für bestimmte Testbedingungen richtig zu schätzen. Dabei ist es vorteilhaft, den letzten Übergang und nicht den ersten Übergang zu betrachten, um die Endzeit der Integration zu bestimmen. Was das Kühlsystem betrifft, so ist eine leichte Überschätzung der Verluste im Allgemeinen besser als eine Unterschätzung.

Die Autoren

Michael Zimmermann

ist ein F&E-Hardware-Ingenieur innerhalb des Teams für Automotive and Energy Solutions bei Keysight Technologies. Als er zu Keysight kam, arbeitete Zimmermann zunächst an Lösungen zur Charakterisierung von Batterien. Gegenwärtig liegt sein Schwerpunkt auf der Charakterisierung und Messung von Leistungshalbleitern mit großer Bandlücke (SiC und GaN), wobei er sich auf dynamische Parameter konzentriert. Zimmermann arbeitet auch an Hochspannungsschaltungs- und PCB-Designs mit einem besonderen Schwerpunkt auf der Parasitäten-Messtechnik und dem Anschluss von Messtechnik. Zimmermann studierte Elektrotechnik an der TU Dresden und schloss sein Studium mit einem Master-Abschluss mit den Schwerpunkten Hardware, Mikro- und Medizintechnik ab.

Bernhard Holzinger

ist technischer Architekt bei Automotive Energy Solutions von Keysight Technologies. Nach seinem Eintritt bei Hewlett-Packard im Jahr 1995 arbeitete er als leitender F&E-Ingenieur. Im Jahr 2016 wechselte er in das Produktplanungsteam von Automotive Energy Solutions, wo er sich hauptsächlich mit Testlösungen für die Charakterisierung von Leistungshalbleitern beschäftigte. Er ist Mitglied des JEDEC-Ausschusses JC-70. Er hält einen BSEE-Abschluss der Dualen Hochschule Baden-Württemberg.

Ryo Takeda

ist Solution Architect bei Automotive and Energy Solutions von Keysight Technologies. Nachdem er 1989 zu Hewlett-Packard kam, arbeitete er mehr als zehn Jahre lang als Anwendungsentwickler und Manager für parametrische Halbleiter-Testgeräte. Seit er in die Produktplanung wechselte, hat er die Produktdefinition von Agilents Power Device Analyzer geleitet. Zu seinen Tätigkeiten gehören Marktforschung, Geschäftsplanung und Produktmanagement. Derzeit arbeitet Takeda an der Definition und Entwicklung eines dynamischen Testsystems für Leistungsbausteine. Er ist Mitglied der JC-70-Arbeitsgruppe. Er hat einen BSEE- und MSEE-Abschluss der Keio-Universität (Japan) auf dem Gebiet der Physik von Halbleiterbauelementen.