电源要做好器件最重要!功率器件建模仿真动静

2019-07-26 00:52字体:
  

  从 1958 年通用电气公司发布第一款工业用普通晶闸管开始,电能的转换和控制就进入了电力电子器件构成的变流器时代,这也标志着电力电子技术的诞生。电力电子技术也应用非常广泛,包括各种电子产品、家用电器、航空航天、新能源领域的光伏逆变器、电动汽车电力系统、智能电网、轨道交通等。

  电力电子是现代科学、工业和国防的重要支撑技术,而半导体功率器件则是电力电子技术的核心和基础,也是电力电子模块中成本占比最高,同时也是最容易发生故障的元器件。

  

  怎么选择更适合产品设计的功率器件,如何分析功率器件的不良原因等都是电力电子行业从业者最为关系的问题。

  是德科技作为测量行业领导者,提供最全面的功率器件解决方案,小编在这里给大家汇总一下,值得收藏:

  静态参数主要是指本身固有的,与其工作条件无关的相关参数,主要包括:门极开启电压、门极击穿电压,集电极发射极间耐压、集电极发射极间漏电流、寄生电容(输入电容、转移电容、输出电容),以及以上参数的相关特性曲线的测试。

  碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等全新宽带隙材料能够支持大电压和高切换速度,在新兴大功率应用领域具有广阔前景。IGBT 可以作为众多应用的电子开关,并且其重要性持续增加。在高电压直流偏置条件下(高达 3kV),高击穿电压(达 10kV)、大电流(数千安培)、栅极电荷以及连接电容表征和器件温度特征和 GaN 器件电流崩溃效应测量功能都十分必要,是推动新器件尽快上市的重要保证。

  面对功率器件高压、高流的测试要求,Keysight 可以提供 B1505A 和 B1506A 两套测试方案,可以支持晶圆和封装器件全参数测试:

  其中 B1506A 有着宽泛的电流和电压工作范围(1500A,3kV),易于使用并且支持全自动测试,可以完成功率器件 IV、CV 和 Qg 全参数测试,最终输出产品 Datasheet 报告。

  使用 B1506A 的 Datasheet 测试功能对某 IGBT 功率模块进行实测,整个测试过程使用非常简单,在极短的时间内完成 IV、CV 和 Qg 参数测试。

  测试完成后,可以生成 Datasheet 测试报告如下所示,包括 IV 参数(击穿电压、漏电、开启特性),CV 参数(Rg、输入、输出和反向传输电容)和栅极电荷 Qg。

  随着开关频率的不断增加,器件的开关损耗超过静态损耗成为主要功耗来源,器件的动态参数也成为评估器件性能的重要参数。相对于器件的静态参数,动态参数主要表征的是器件在开启或关断瞬间的电学特性参数。

  是德科技最新发布的功率器件动态参数测试仪 PD1500A,涵盖的测试包括:

  Keysight PD1500A 动态参数测试仪基于双脉冲测试原理,结合 Keysight 专业的测量技术,例如使用钳位线路解决示波器过驱动恢复问题,示波器 ADC 自动补偿和校准,通道时间延时自动校准,去嵌技术实现 GHz 带宽大电流的测试,专用测试夹具消除寄生参数的影响,来实现高精度可重复的专业级测量,支持 IGBT, MOSFET, SiC MOSFET,GaN(可升级)等功率器件动态参数的测量。

  在封装之前,晶圆上测量可以采集重要的工艺信息,帮助节省大量的时间和资金,在晶圆上执行大功率器件测试的效率高于封装测量。然而,功率器件晶圆上测量必须解决电压与电流问题。

  B1505A 支持低残余电阻电缆以及能够连接所有常用大功率分析晶圆探头的连接器和适配器。您可以使用 B1505A 执行此前无法实现的高达 200A 和 10kV 的大电流和高电压晶圆上测量,以及高达 3kV 的晶圆上 IGBT/FET 电容与栅极电荷测量。并且,B1505A 支持众多晶圆探头互锁机制,可以确保晶圆上器件测试的安全性。

  大多数功率器件都以提升可承受电压和降低器件导通电阻为目标,意味着测试应用的电流和电压将随之增大。B1505A 的体系结构非常适合上述开发环境。例如,B1505A 配置 HCMSU 与 20 A 电流测量功能的解决方案可以方便地升级:添加 UHC 模块即可支持 500A 或 1500A 的测量。

  如下图所示,在使用 B1505A 连接探针台构建一套高压(3KV,甚至高达 10KV)和高流(500A)测试系统。

  线路仿真能够有效地降低项目中的风险,缩减项目周期和成本,为了达到准确的仿真结果,首先要有准确的器件模型,尤其在功率器件的部分。根据前面提到的静态和动态参数测量,我们还需要测试器件 S 参数用来提取封装特性及不同偏置电压下的动态电容变化。有了所有这些参数,就可以转换成准确的功率器件模型。

  现在大多数功率器件都是基于 Level 3 MOS 管的模型,加上许多非线性方程式结合而成。这需要对功率器件及建模有充分的认识才能实现。是德科技针对电力电子功率器件提供了专用的模型,可以基于 PD-1000A 测量到的静动态参数,S 参数直接进行建模,自动产生对应的模型。此软件就是 PEMG(Power Electronics Model Generator).PEMG内针对三种器件提供模型,分别是 GaN HEMT,IGBT 以及 PowerMOS,可以涵盖所有主流的功率器件。

  在这三种模型中,GaN HEMT 使用的是 ASM-HEMT 模型,此模型在 2017 年通过 CMC 协会的认证,为标准化的器件模型。而 IGBT 和 POWERMOS 模型是参考 Angelov 模型中的方程,简历稳定、方便使用的模型。PEMG 提供整合的模型界面及参考建模流程,使用者可以在同一界面下,完成仪器测量(动静态参数,S 参数),自动读取参数,参数调整优化及模型验证等工作。

  在现今电力电子设计的挑战上,如何在更小的体积内,提供更高的功率。例如 USB-PD 及 QC 等应用,需要为移动设备,提供快速充电的能力。在变压器的设计,大部份的体积由电感/线圈及散热片所佔据。要缩小线圈及散热片的体积,必须提高转换的频率及转换的效率。如此一来,使用 SiC 或 GaN 之类的晶体管是一个必然的趋势。然而,除了需要晶体管准确的模型之外,电路板的模型也是不可获缺的。

  在传统的设计流程中,使用的是较为简单的电路仿真器,搭配简化的被动元件模型。这需要使用者大量的设计经验,才能获的准确的仿真结果。而更多情况是,因为仿真的结果不准确,使用者倾向于直接将电路板製作出来,直接上件后在实验室测量。这需要花费较多的时间,及多次的设计改板才能得到一最终的设计。另一方面,如果第一版的电路失效,需要花费更多的时间进行除错、修正,在时间及人力的投资是相当可观的。这也是为什麽我们需要仿真软件的原因。

  是德科技提供 ADS 仿真平台,可以在这平台上直接进行前仿(pre-layout simulation)及后仿(post-layout simulation)。在前仿的部份可直接使用 PEMG 抽取的模型参数,搭配内建的行为级模型,例如 PWM 产生器、运算放大器(OPAMP)、非线性磁性元件,建立关键电路原理图。接著在同一平台上,可以直接进行版图的设计,并抽取版图的寄生电路,直接导回原理图仿真,完成后仿。在这整合的设计环境下,使用者可以实现精细化仿真,使用仿真精确的预估电路的特性,一次完成最终设计,就能达设设计指标。另外,ADS 仿真平台还提供一键生成 EMI 测试电路,使用者可以在 ADS 上完成 EMI 的仿真,优化 EMI 的设计,以符合 EMC 的指标。

  好了,最全面的功率器件解决方案终于讲完了,篇幅限制无法详细开展,如果您需要更详细的资料,需要联系我们的技术专家,或者需要咨询相关产品,请填写问卷留下您的信息,我们的技术专家会在三个工作日内联系您。

  我们致力于帮助企业、服务提供商和政府客户加速创新,创造一个安全互联的世界。自 1939 年惠普公司成立,到 2014 年 11 月 1 日是德科技作为一家新电子测试测量公司独立运营,我们继续秉承不变的企业家精神和激情开启新航程,鼓舞全球创新者,帮助他们实现超乎想象的目标。我们的解决方案旨在帮助客户在 5G、汽车、物联网、网络安全等领域不断创新。



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