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Leistungshalbleiter charakterisieren

Zuverlässigere Doppelpulstests


Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Messung von ID

Im Allgemeinen sind Strommessungen bei DPT-Aufbauten schwieriger als Spannungsmessungen. Einer der limitierenden Faktoren ist die Bandbreite. Mit der zunehmenden Verbreitung von WBG-Halbleitern (Wide-Bandgap) verbreitert sich der Frequenzanteil von DPT-Signalen deutlich, was Messungen mit immer größerer Bandbreite erfordert. Die Bandbreiten der meisten Stromsensoren liegt in der Regel unterhalb dessen, was für eine schnelle DPT-Messung benötigt wird. Rogowski-Spulen sind attraktive Stromsensoren: günstig, relativ einfach einzurichten und sie nutzen das sich ändernde Magnetfeld eines Leiters zur Strommessung. Ein Problem ist, dass ihre Sensorschleife um den zu messenden Leiter herum angeschlossen werden muss. Dies ist bei einigen Aufbauten nicht durchführbar. Außerdem ist ihre Bandbreite auf circa 30 MHz begrenzt und mit ihnen lässt sich kein Gleichstrom messen. Für die Strommessung von schnell schaltenden Leistungshalbleitern ist eine Bandbreite von mehreren Hundert MHz nötig.

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Streuung der S21-Übertragungsfunktion von koaxialen Shunts gleicher Bauart
Bild 4. Streuung der S21-Übertragungsfunktion von koaxialen Shunts gleicher Bauart.
© Keysight Technologies

Eine zweite Möglichkeit zur Strommessung sind Shunts. Der Strom fließt durch einen bekannten Präzisions-Shunt-Widerstand und erzeugt eine messbare Spannung, die anschließend zur Berechnung des Stroms verwendet wird. Um Strom-Shunts in den betreffenden Stromkreis einzufügen, muss der Strompfad unterbrochen werden. Eine niedrige Impedanz ist wichtig, um den Einfluss des Shunts auf die Schaltung zu minimieren. Einige kommerziell erhältliche Shunts spezifizieren Bandbreiten von einigen 100 MHz. Die Bandbreite kann allerdings stark streuen. In Bild 4 ist die S21-Übertragungsfunktion von mehreren Shunts – gleiches Modell und gleiche Spezifikationen – zu sehen

 Einfluss der Bandbreite auf Strom-Shunt-Messungen
Bild 5. Einfluss der Bandbreite auf Strom-Shunt-Messungen.
© Keysight Technologies

Die 3dB-Bandbreite dieser Shunts reichte von ~25 MHz bis ~280 MHz – mehr als eine Größenordnung Variation. Dieser Unterschied wirkt sich erheblich auf die erfassten Signalformen in einer DPT-Messung aus (Bild 5). Im Vergleich zum 280-MHz-Shunt stellt man beim 25-MHz-Shunt mehr Überschwingen für ID fest. Dadurch wird die Leistungssignalform, die letztendlich zur Integration von E(ON) verwendet wird, verzerrt. Diese Verzerrung ist ein Artefakt des Shunts, nicht des Leistungsbauelements. Daher führt der 25-MHz-Shunt letztendlich zu einem größeren und falschen Wert für E(ON).

Signalverschiebung

Zeitversatz in Oszilloskop-Eingangssignalen, gemessen an einer DPT-Halterung
Bild 6. Zeitversatz in Oszilloskop-Eingangssignalen, gemessen an einer DPT-Halterung.
© Keysight Technologies

Wegen der hohen Frequenz und der scharfen Flankenübergänge in DPT-Signalen ist es wichtig, dass es verschiedene Signalpfade durch jeden Oszilloskoptastkopf bis zu jedem Messpunkt gibt. Diese unterschiedlichen Pfade wirken sich auf die Ausbreitung jedes Signals aus, was zu einer Signalverschiebung führt (Bild 6).

Je nachdem, welches Signal (VDS oder ID) verzögert wird, können E(ON)- und E(OFF)-Berechnungen den resultierenden Schaltverlust unter- oder überrepräsentieren.

Leistungsanalysator korrigiert Messfehler

(links) Doppelpulstester PD1500A mit (rechts) Steckkarte für den Leistungshalbleiterprüfling
Bild 7. (links) Doppelpulstester PD1500A mit (rechts) Steckkarte für den Leistungshalbleiterprüfling
© Keysight Technologies

Der Keysight Dynamic Power Device Analyzer/Doppelpulstester PD1500A (Bild 7) wurde entwickelt, um diese Fehlerquellen so weit wie möglich zu berücksichtigen, direkt zu kompensieren oder alternativ dem Anwender Lösungswege aufzuzeigen. Er bekommt Empfehlungen für eine effektive Gleichtaktunterdrückung und den Aufbau einer modularen Klemmschaltung. Zusätzlich wurden Kompensationstechniken entwickelt und im Messgerät implementiert. Hervorzuheben ist eine softwaregesteuerte Methode zur Einstellung des Oszilloskops und der Tastköpfe, mit der sich Signalverzerrungen am DPT-Aufbau eliminieren lassen. Jeder im System verwendete Shunt wird im Werk durch Messung der S21-Übertragungscharakteristik bis 400 MHz charakterisiert und so angepasst, dass die Verzerrungen im Signal durch Shunts mit geringer Bandbreite eliminiert werden.

(oben) E(off)-Signal ohne Kompensation, (unten) E(off)-Signal mit Kompensation.
Bild 8: (oben) E(off)-Signal ohne Kompensation, (unten) E(off)-Signal mit Kompensation.
© Keysight Technologies

Eine softwaregesteuerte Autokalibrierroutine verwendet eine Source Measurement Unit (SMU) mit 100 nV Auflösung als interne Systemreferenz. Messpunkte über den Bereich jedes Oszilloskopkanal/Tastkopf-Paares werden mit den entsprechenden Referenzwerten der SMU verglichen. Aus diesen Daten werden Verstärkungs- und Offsetfehler bestimmt und im System kompensiert, wodurch sich die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse erhöht.

In den Bildern 8 (oben) und 8 (unten) ist eine Testmessung gezeigt. Vermessen wurde ein SIC-MOSFET (1200 V, 40 A) einmal mit und einmal ohne Kompensation. Die Betriebsbedingungen waren in beiden Fällen identisch: 800 V, 30 A, Rg=10 Ω und Raumtemperatur.

Bild 8a zeigt die DPT-Signale und die Ergebnisse ohne Kompensation. Man sieht ein überhöhtes Einschwingen von ID und damit auch der Leistung (VDS× ID). Der Effekt deutet klar auf einen Shunt mit geringerer Bandbreite hin. Für E(off) ergibt sich ein Wert von 218,50 µJ, in den noch weitere Störeffekte, Signalverzerrungen und Autokalibrierfehler eingegangen sein können. Bei zugeschalteter Kompensationstechnik ergibt sich der Signalverlauf in Bild 8b. Er zeigt weniger Oszillationen und der Wert für E(off) berechnet sich nun zu 296,60 µJ. Die Abweichung zur unkompensierten Messung beträgt 26 %, der allein durch Störeffekte im Messaufbau auftritt, die nicht kompensiert wurden.

Der Leistungsmesser PD1500A wurde als Erganzung zum Power Device Analyzer B1505A/B1506A entwickelt. Der PD1500A ist ein eigenständiges System und ermöglicht hochpräzise Messungen zur Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften von Leistungshalbleitern. Der Schwerpunkt bei der Produktentwicklung lag auf der Bereitstellung wiederholbarer und zuverlässiger dynamischer DPT-Messungen für diskrete Si/SiC-basierte Leistungshalbleiter.

Messtechnik für Doppelpulstests ist einer der Forschungsschwerpunkte bei Keysight. Das nächste Entwicklungsziel ist eine entsprechende DPT-Messtechnik zur Charakterisierung von diskreten GaN- und Si/SiC-Leistungsmodulen.

 

Die Autoren

 

 

RyoTakeda von Keysight Technologies
RyoTakeda von Keysight Technologies.
© Keysight Technologies

Ryo Takeda

ist Solution Architect im Geschäftsbereich Automotive and Energy Solutions von Keysight Technologies. Er kam 1989 zu Hewlett-Packard und arbeitete über zehn Jahre als Anwendungsentwickler und Manager für parametrische Halbleitertestgeräte. Später wechselte er in die Produktplanung und leitete den Bereich Power Device Analyzer. Aktuell arbeitet er an der Definition und Entwicklung eines dynamischen Testsystems für Leistungsbausteine. Er ist Mitglied der JEDEC-WBG-Arbeitsgruppe, hat einen BSEE- und einen MSEE-Abschluss der Keio-Universität in Japan auf dem Gebiet der Physik von Halbleiterbauelementen.

Bernhard-Holzinger von Keysight Technologies
Bernhard-Holzinger von Keysight Technologies
© Keysight Technologies

Bernhard Holzinger

kam 1995 zu Hewlett-Packard als leitender F&E-Ingenieur. 2016 wechselte er als Technical Architect in das Produktplanungsteam Automotive Energy Solutions von Keysight, wo er sich mit Testlösungen für die Charakterisierung von Leistungshalbleitern beschäftigt. Er ist Mitglied des JEDEC-Ausschusses JC-70 für WBG-Leistungshalbleiter und hat einen BSEE-Abschluss der Dualen Hochschule Baden-Württemberg.

 

Michael-Zimmermann von Keysight Technologies
Michael-Zimmermann von Keysight Technologies.
© Keysight Technologies

Michael Zimmermann

ist F&E-Hardware-Ingenieur innerhalb des Teams für Automotive and Energy Solutions bei Keysight Technologies. Zunächst entwickelte er Testsysteme zur Charakterisierung von Batterien und hat sich später auf WBG-Leistungshalbleiter verlagert. Außerdem arbeitet er an Hochspannungsschaltungs- und PCB- Designs mit Fokus auf Parasitätenmesstechnik und dem Anschluss von Messtechnik. Er studierte Elektrotechnik an der TU Dresden und schloss sein Studium mit einem Master-Abschluss mit den Schwerpunkten Hardware, Mikro- und Medizintechnik ab.

 

Mike-Hawes von Keysight Technologies
Mike-Hawes von Keysight Technologies.
© Keysight Technologies

Mike Hawes

arbeitet seit über 35 Jahren für Hewlett-Packard, Agilent und Keysight. Sein Schwerpunkt lag auf Großkundenprojekten für Fahrzeugtests, Tests für drahtlose Endgeräte und Energieanwendungen. Aktuell ist er als Power Solution Consultant für das Team Automotive and Energy Solutions tätig und konzentriert sich auf Anwendungen mit hoher Leistung. Er hat einen Bachelor of Science in Elektrotechnik und einen Master of Engineering in Biomedizintechnik.

 


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