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Leistungshalbleiter charakterisieren

Zuverlässigere Doppelpulstests

20. Oktober 2020, 08:30 Uhr   |  Ryo Takeda, Bernhard Holzinger, Michael Zimmerman und Mike Hawes

Zuverlässigere Doppelpulstests
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Beim Charakterisieren von Leistungshalbleitern treten Störeffekte durch Isolationsimpedanzen und unpassende Shunts auf. Manche Messgeräte kompensieren diese Effekte automatisch und erzielen deutlich bessere Messergebnisse.

Die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit von Doppelpulstests (DPT) lässt sich erhöhen, wenn im Messaufbau einige grundlegende Aspekte der Messwissenschaft berücksichtigt und bestimmte Messtechniken angewendet werden. Das betrifft vor allem die Messung der Schaltsignale VGS, VDS und ID. Der Doppelpulstest ist im Textkasten »Grundlagen des Doppelpulstests« kurz zusammengefasst. Der Grundlegende Messaufbau für einen DPT ist in Bild 1 gezeigt.

Grundlegender Aufbau eines Doppelpulstests
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Bild 1. Grundlegender Aufbau eines Doppelpulstests.

Alle Messgeräte sind auf Erde bezogen. Oszilloskop-Eingänge sind bei Verwendung herkömmlicher Tastköpfe einpolig, wobei die Masseleitungen im Wesentlichen auf Erdpotenzial liegen. Viele Stromversorgungen sind bis zu einer gewissen Grenze erdpotenzialfrei (Floating Ground), z.B. beträgt die maximale Spannung zwischen Erde und Ausgangsanschluss 500 V. Diese Isolierung von der Erdung kann für ein Messgerät als Isolationsimpedanz (Zi) modelliert werden. Ebenso sind viele Signalform-/Funktionsgeneratoren von der Erde isoliert, typischerweise mit ±42 V. Warum ist das wichtig?

GleichtaktEffekte

Im Idealfall hat die Erde im gesamten DPT-Aufbau das gleiche Potenzial. Es fließt kein Strom auf Masse. In der Realität gibt es Potenzialunterschiede zwischen den Erdungskontaktpunkten, die als Gleichtaktspannungen bezeichnet werden (Vcm in Bild 1). Die Gleichtaktspannungen induzieren Gleichtaktfehlerströme, die die Messgeräte beeinflussen. Sogar isolierte Messgeräte wie eine HV-Stromversorgung erzeugen Gleichtaktstromrückführungen durch Zi, insbesondere durch die höherfrequente Leistungsschaltung im Aufbau. Daher müssen Gleichtaktströme im Messaufbau berücksichtigt werden.

Typische DPT-Aufbauten verwenden die HV-Stromversorgung, um den Zwischenkreiskondensator mit der nötigen Energie für einen DPT zu laden. Um potenzielle Gleichtaktströme zu eliminieren, sollte die Stromversorgung vor der Durchführung des DPT mit Hilfe von Schaltern (Bild 1) vom DPT-Aufbau getrennt werden. Mit dieser Technik wird das Problem der Gleichtaktkopplung von der Stromversorgung gelöst. In ähnlicher Weise wird der Signalgenerator typischerweise im Gate-Treiber isoliert, wodurch jegliches Potenzial für Gleichtaktkopplung beseitigt wird.

Das Oszilloskop ist jedoch ein anderes Problem. Es ist das Messgerät, das die DPT-Signalformen misst. Ohne differenzielle oder isolierte Tastköpfe haben herkömmliche Oszilloskop-Tastköpfe lange »erdbezogene« Rückwege vom Messpunkt, was sie anfällig für Gleichtaktstörungen macht. Auch die Messung von VGS, VDS und ID ohne isolierte/differenzielle Tastköpfe stellt eine Herausforderung dar.

Die meisten DPT-Aufbauten sind darauf ausgelegt, den Low-Side-Baustein (z.B. den Prüfling in Bild 1 bzw. das Device under Test (DUT)) zu testen, um die hohen Gleichtaktspannungen beim Testen des High-Side-Bausteins zu vermeiden. Wird die Messung von ID mit einem Shunt durchfgeührt, kann man zusätzlich den Tastkopf für die Messung des Shunts so anordnen, dass die Masseleitung am gleichen Knotenpunkt liegt, an dem die Masseleitungen für die VGS- und VDS-Messungen angeschlossen sind. Dadurch wird der DUT-Source-Anschluss als Erdungsbezugspunkt im Aufbau festgelegt, sodass die drei Messungen ohne isolierte oder differenzielle Tastköpfe durchgeführt werden können. Der Trick besteht dann darin, die Polarität der über den Shunt gemessenen Spannung umzukehren, um ID zu bestimmen.

Gleichtaktdrossel in der Tastkopfzuleitung
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Bild 2. Gleichtaktdrossel in der Tastkopfzuleitung.

Es besteht jedoch nach wie vor das Problem der Gleichtaktströme, die durch die Tastköpfe des Oszilloskops fließen, sowohl im Mittelleiter als auch in der Abschirmung. Um diesen Fehler zu minimieren, werden die Tastköpfe durch einen ferromagnetischen Kern oder eine Gleichtaktdrossel geführt (Bild 2). Da der Gleichtaktstrom im Tastkopfmittelleiter und in der Abschirmung in die gleiche Richtung fließt, addieren sich die zugehörigen Magnetflüsse im Kern. Dadurch wird effektiv ein größeres, dem Gleichtaktstrom entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt. Beim differenziellen (gewünschten) Gleichtaktstrom dagegen heben sich die Magnetflüsse im Kern auf, wodurch das entgegengesetzte Magnetfeld wegfällt und somit das Differenzsignal durch den Tastkopf zum Oszilloskop gelangen kann.

Nachdem einige grundlegende Aspekte über den DPT-Aufbau dargelegt wurden, werden nun konkrete Messmethoden diskutiert.

Messung von VDS

Eine große Herausforderung bei der Messung von VDS ist der weite Dynamikbereich. Er ist erforderlich, um VDS sowohl im »Ein«- als auch im »Aus«-Zustand zu messen. Im »Ein«-Zustand ist der Prüfling leitend, und der Spannungsabfall vom Drain zur Source ist gering (1 V bis ~10 V). Eine präzise Messung ist hier wichtig, da sich RDS(on) als Verhältnis von VDS zu ID berechnet. Im »Aus«-Zustand sperrt der Prüfling die für die Prüfung gewählte Betriebsspannung (> 1000 V). Mit einem Unterschied von 2 bis 3 Größenordnungen zwischen den Messungen benötigt es einen viel größeren Dynamikbereich als ein Oszilloskop zur Verfügung stellt.

Für die VDS-Messung im »Aus«-Zustand verwendet man je nach gewählter Betriebsspannung einen geeigneten Hochspannungstastkopf, der das Signal für den Messbereich des Oszilloskops dämpft. Zur Messung von VDS bei DUT im eingeschalteten Zustand lässt sich ein Standard-10:1-Tastkopf verwenden, um eine möglichst genaue Messung zu erzielen. Dafür bietet sich eine Klemmschaltung an. Sie soll die am Oszilloskop anliegende Spannung begrenzen, wenn der Prüfling im ausgeschalteten Zustand ist, damit es das Oszilloskop nicht beschädigt. Im eingeschalteten Zustand soll das Signal passieren, sodass der 10:1-Tastkopf die niedrige VDS misst. Das vereinfachte Schema und die Grafik veranschaulichen die Leistungsfähigkeit der Klemmschaltung.

Vereinfachte VDS-Klemmschaltung und -Grafik
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Bild 3. Vereinfachte VDS-Klemmschaltung und -Grafik.

Wenn VIN kleiner als VCLAMP-VTH ist, gilt eine lineare 1:1-Beziehung zwischen VIN und VOUT. Gilt VIN = VCLAMP-VTH, schaltet der FET ab und klemmt VOUT unabhängig vom Wert von VIN knapp unterhalb der VCLAMP-Spannung. Es genügt, eine Klemmspannung zu wählen, die über dem erwarteten Wert von VDS(on) und unter der maximalen Eingangsspannung des Oszilloskops liegt. Das Ergebnis ist eine genaue Messung von VDS(on), wenn der Prüfling eingeschaltet ist, und eine geklemmte Spannung, wenn VIN größer als VCLAMP ist.

Grundlagen des Doppelpulstests

Die vollständige Charakterisierung eines SiC- oder GaN-Bauelements erfordert statische und dynamische Messungen. Insbesondere die Bestimmung der Schaltverluste erfordert Parameter, die mit dynamischen Messungen bestimmt werden.

Die Standardmethode dafür ist der Doppelpulstest. Der Testaufbau ist in den Normen der beiden großen Gremien IEC (International Electrotechnical Commission) und JEDEC definiert, die seit Jahrzehnten Tests zur dynamischen Charakterisierung von Leistungshalbleitern definieren.

Der grundsätzliche Messaufbau ist in Bild 1 dargestellt. Der Signalgenerator erzeugt zwei Spannungsimpulse (»Doppelpuls«) mit verschiedenen Impulsbreiten und genau festgelegter Zeitabfolge, die an den Gate-Treibern der Leistungshalbleiter angelegt werden. Direkte Messgrößen sind die Spannung zwischen Gate- und Source-Kontakt VGS, die Spannung zwischen Drain- und Source-Kontakt VDS sowie der Strom ID.

Die Signalkurven dieser drei Parameter unter dem Einfluss des Doppelpulses erlauben die Berechnung dynamischer Charakteristiken, darunter die Einschaltverzögerung td(on), die Anstiegszeit tr, die Ausschaltverzögerung td(off), und die Abfallzeit tf. Diese wiederum erlauben die Berechnung der Einschaltenergie E(on) und der Ausschaltenergie E(off), was die Bestimmung der Schaltverluste ermöglicht.

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1. Zuverlässigere Doppelpulstests
2. Messung von ID

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